CN102480099B - 高重复频率横向激励大气压co2激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高重复频率横向激励大气压CO2激光器，涉及激光技术，由密封腔体、光学谐振腔、紫外电晕预电离与主放电电极、涡轮增压风机以及散热冷却系统组成。其中涡轮增压风机包括交流电机、叶轮、增压室、和压缩喷嘴。使用时，涡轮增压风机内的电机驱动直联叶轮高速旋转，工作气体经过涡轮增压由喷嘴高速喷出，流经主电极，在紧凑空间内实现了工作气体的高清洗系数，进而获得高重复频率激光脉冲的稳定输出。脉冲重复频率大于2kHz，是目前国内脉冲重复频率最高的横向激励大气压CO2激光器，在激光目标指示和告警中有着良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别是一种高重复频率横向激励大气压CO2激光器，可实现高重复频率稳定运转。
背景技术
1970年，Beaulieu等人首次报导了均匀激励的并且能在大气压下实现稳定自持辉光放电的脉冲横向激励大气压CO2激光器。由于采用横向激励，在相同的增益长度和气体压力下，和纵向激励相比，可以使激光器的放电电压大幅度下降。一方面，降低了对电源及系统绝缘强度的要求；另一方面，采用较低的放电电压，可以有效降低放电的E/N值，提高放电激励的效率。TEA CO2激光器一般采用高压窄脉冲激励(放电脉冲的宽度一般为及微秒)，存在着“增益开关”效应，可以得到很高的脉冲峰值功率。输出脉冲能量为焦耳量级的TEA CO2激光器，其输出的脉冲峰值功率可达几十兆瓦，是连续波CO2激光器不可比拟的。高重复频率横向激励大气压CO2激光器，由于具有脉冲峰值功率与平均功率兼顾的特点，在工业和军事领域均具有极大的应用潜力。
由于TEA CO2激光器由真空密封腔系统、谐振腔系统、气体高速循环系统、冷却系统等多部分组成，结构繁杂，激光头体积较大，限制了该类激光器系统的使用范围。同时受循环气体风速的影响，国内所报道的小型高重复频率TEA CO2激光器的频率大多在几十到几百赫兹左右(参考文献1：侯天晋，江东，郑从众等.小型高重复频率TEA CO2激光器的研究[J].激光技术，1996，20(6)：346～348)，日本Katsumi Midorikawa等人曾报道过重复频率为1kHz的稳定运转的TEA CO2激光器，是目前公开报道的重复频率最高的横向激励大气压CO2激光器(参考文献2：KatsumiMidorikawa，Hidekazu Hatanaka，S Minoru Obarat：Hideo Tashirot A 1kHz repetition～rate 500W CO2TEA laser employing solid～statepulse power conditioning Meas.Sci.Technoi.1993，4：388～391.)。综合国内外研究现状，采用大功率风机及循环风道是提高气体高速循环系统风速，获得高重复频率横向激励大气压CO2激光脉冲输出最直接有效的手段，这不可避免地会增加激光头的体积，影响到激光器的应用领域。
传统横向激励大气压CO2激光器采用横向风机，风速均匀性优良，但由于驱动轴较长，风速、压差都较低，因而传统激光器普遍采用体积庞大的风道导流方式将经过下游热交换器冷却后的工作气体导入处于上游风口位置的放电区，整个器件风速低而体积大。
发明内容
本发明的目的是公开一种高重复频率横向激励大气压CO2激光器，以实现紧凑型横向激励大气压CO2激光器的高重复频率激光脉冲稳定输出，在高峰值功率的基础上，提高激光器的平均功率。该激光器装置，在一定程度上解决了传统高重复频率横向激励大气压CO2激光器中体积大、重复频率低(几十到几百赫兹)的问题。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种高重复频率横向激励大气压CO2激光器，包括密封腔体、光学谐振腔、紫外电晕预电离与主电极、涡轮增压风机和散热冷却系统；其密封腔体包括密封罩、激光器基底，密封罩下口缘与激光器基底上表面密封固接，其内构成密封腔体；光学谐振腔、紫外电晕预电离与主电极、涡轮增压风机和散热冷却系统设在密封腔体内构成激光头主体；涡轮增压风机的喷嘴正对主电极；
密封罩侧壁设有接口，风机电源、主放电电极高压电气接口由密封接插件接入密封腔体内；
使用时，涡轮增压风机内的电机驱动直联叶轮高速旋转，工作气体经过涡轮增压由喷嘴高速喷出，流经主电极；激光电源开启后，激光器储能电容迅速充至设定电压；控制电路触发闸流管导通瞬间，预电离电容感应出高压，首先在阴极与预电离之间放电产生紫外电晕；在紫外电晕预电离的作用下，主电极间电子迅速增加，当电子密度达到一定程度时，主电极间气体辉光放电，形成均匀激励场，激光脉冲在谐振腔内振荡输出，脉冲重复频率大于2kHz。
所述的高重复频率横向激励大气压CO2激光器，其所述光学谐振腔，包括全反镜、输出镜及与其相适应的高精度两维可调节镜座，全反镜、输出镜分别位于密封罩相对的前后端板上，两镜相互平行，光学谐振腔的主轴线垂直于两侧壁，谐振腔光轴中心位置与主电极轴向中心位置重合。
所述的高重复频率横向激励大气压CO2激光器，其所述输出镜为部分反射镜，其材质为CO2红外激光波段窗口材料硒化锌、锗和砷化镓其中之一，其反射率根据激光工作介质的增益不同为30％到90％，其面型根据谐振腔的类型为平面，或球面；全反镜为后腔镜，为无氧铜基底经过超精铣或超精车加工而成，表面镀金膜或介质膜加以保护，其面型根据谐振腔的类型为平面，或球面。
所述的高重复频率横向激励大气压CO2激光器，其所述全反镜，在波长可调谐的CO2激光器中，为一面闪耀光栅。
所述的高重复频率横向激励大气压CO2激光器，其所述涡轮增压风机固定于密封腔体基底上表面，涡轮增压风机包括交流电机、叶轮、增压室和压缩喷嘴，涡轮增压风机的主轴线与光学谐振腔的主轴线相互正交；一电极支架立于风机喷嘴旁侧，主电极位于电极支架上端，压缩喷嘴中心高度与主电极水平中心位置高度相等；
涡轮增压风机的底部有一直径为50mm-100mm的圆孔，圆孔与涡轮增压室相通连，圆孔内嵌装有散热冷却系统的热交换器；
使用时，涡轮增压风机内的电机驱动直联叶轮高速旋转，工作气体经过涡轮增压由喷嘴高速喷出，直接吹向位于喷嘴旁侧的主电极；在涡轮风机运转的过程中，风机底部圆孔内会形成一个负压区，经过主放电区的工作气体，经50mm-100mm的圆孔自动流回风机涡轮增压室，在进入下一个循环前被紫铜板管式热交换器内防冻冷却液迅速冷却，再吹向主电极形成循环，无需循环风道设计，因而体积小。
所述的高重复频率横向激励大气压CO2激光器，其所述主电极分阳极和阴极，为钢质电极，电极放电区为一平面，与侧面采用圆弧面平滑过渡，阴极与阳极电极的间距为8mm到15mm可调。
所述的高重复频率横向激励大气压CO2激光器，其所述主电极中的阳极与激光器金属外壳连接并接地，阴极通过高压电气密封接插件与储能高压电容相连。
所述的高重复频率横向激励大气压CO2激光器，其所述紫外电晕预电离为轴向管状预电离，为石英材质，其管壁厚度为0.8mm～1.2mm，内径为3mm～5mm，内壁镀有0.05mm～0.15mm金属膜层，外壁紧贴主电极阴极；紫外电晕预电离的轴向与光学谐振腔的主轴线平行。
综上所述，本发明的CO2激光器采用小型涡轮增压风机作为横向激励CO2激光器的气体循环动力装置，有效地减小了整个激光器的体积，提高了工作气体的循环速度，获得了高达2kHz重复频率激光脉冲的稳定输出。该激光器装置运行可靠、体积小，可多平台搭载，有着广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种高重复频率横向激励大气压CO2激光器结构示意图；其中：
图1a为激光器除去密封罩的三维结构示意图；
图1b为激光器后视剖视图；
图1c为激光器顶部俯视图；
图2为采用本发明装置实现紧凑型高重复频率横向激励大气压CO2激光器装置脉冲放电电压及电流波形图；
图3为本发明一种高重复频率横向激励大气压CO2激光器能量的输出曲线图；
图4为本发明中对应于涡轮增压风机不同输入电压条件下的风速与激光脉冲稳定输出的重复频率的关系图。
具体实施方式
本发明一种高重复频率横向激励大气压CO2激光器，采用涡轮增压风机驱动工作气体高速循环系统用于冷却更新主放电空间内的工作介质。激光器开启前，启动涡轮增压风机内的电机驱动直联叶轮高速旋转，工作气体经过涡轮增压由喷嘴高速喷出，流经主电极。激光电源开启后，激光器储能电容迅速充至设定电压。控制电路触发闸流管导通瞬间，预电离电容感应出高压，由于阴极与预电离之间间隙很小，首先放电产生紫外电晕。在紫外电晕预电离的作用下，主电极间电子迅速增加，当电子密度达到一定程度时，主电极间气体辉光放电，形成均匀激励场，激光脉冲在谐振腔内振荡输出。本发明装置采用涡轮增压技术，在紧凑空间内实现了工作气体的高速循环，进而获得高重复频率激光脉冲的稳定输出，脉冲重复频率大于2kHz。
该装置中光学谐振腔、紫外电晕预电离与主电极、涡轮增压风机以及散热冷却系统都密封集成在一个体积紧凑的金属腔体内。风机电源、主放电电极高压电气接口均由密封接插件接入腔体内部。
涡轮增压风机包括交流电机、叶轮、增压室、和压缩喷嘴。使用时，涡轮增压风机内的电机驱动直联叶轮高速旋转，工作气体经过涡轮增压由喷嘴高速喷出，流经主电极。涡轮增压风机的底部安装有热交换器，在涡轮风机运转的过程中，风机的底部会形成一个负压区，经过主放电区的工作气体会自动流回风机涡轮增压室，在进入下一个循环前被热交换器迅速冷却，无需循环风道设计。
光学谐振腔为两面平行的反射镜，其中输出镜为部分反射镜，其材质为CO2红外激光波段窗口材料硒化锌、锗和砷化镓等，其反射率根据激光工作介质的增益不同从30％到90％不等，其面型根据谐振腔的类型可以是平面也可以是球面。作为后腔镜的反射镜一般为无氧铜基底经过超精铣或超精车加工完成，表面可以镀金膜或介质膜加以保护，其面型根据谐振腔类型可以是平面也可以是球面。在波长可调谐CO2激光器中，反射镜也可以是一面闪耀光栅。
紫外电晕预电离为轴向管状预电离。其管壁为0.8～1.2mm厚石英材质，石英管内径为3～5mm，内壁镀0.05mm～0.15mm金属膜层，石英管外壁紧贴主电极阴极。
主电极分阳极和阴极，均为钢质电极。电极放电区为一平面，与侧面采用圆弧面平滑过渡，阴极与阳极电极间距根据增益体积从8mm到15mm可调。
主电极中的阳极与激光器金属外壳连接并接地，阴极通过高压电气密封接插件与储能高压电容相连。
本发明采用小型涡轮增压风机技术，在涡轮风机运转的过程中，风机的底部会形成一个负压区，经过主放电区的工作气体会自动流回风机涡轮增压室，在进入下一个循环前被热交换器迅速冷却，无需循环风道设计，有效地抑制了激光器的体积，同时最高工作气体循环风速达100m/s以上，可获得重复频率为2kHz的稳定激光脉冲输出。
为进一步说明本发明的特征和结构，下面结合附图对本发明作详细描述。图1a、图1b和图1c为紧凑型高重复频率横向激励大气压CO2激光器装置结构示意图，其中，图1a为除去密封罩之后的激光器结构示意图。
本发明的紧凑型高重复频率横向激励大气压CO2激光器装置，由六个单元组成：
一、密封腔体单元由密封罩1和激光器基底2两部分组成的，构成整个激光器的外壳。
二、光学谐振腔单元由全反镜3和输出镜4与其相适应的高精度两维可调节镜座5组成，其中全反镜3、输出镜4分别位于密封罩1相对的前后端板上，两镜3、4相互平行，光学谐振腔的主轴线垂直于两侧壁，谐振腔光轴中心位置与主电极8轴向中心位置重合。
三、接插件单元由接插件6、7组成分别为涡轮增压风机11的电源接口和主电极8中阴极的直流高压输入接口，接插件6、7均位于密封罩1的后端板上。
四、激光器放电增益单元由紫外预电离装置9和电极支架10与主电极8构成。该单元立于风机压缩喷嘴15旁侧，主电极8位于电极支架10上端，压缩喷嘴15中心高度与主电极8水平中心位置高度相等。预电离装置9为两根管状结构装置，分别位于阴极轴向两侧。
五、涡轮增压风机11单元由交流电机12、叶轮13、增压室14和压缩喷嘴15组成，位于整个激光器基底2的中央位置。
六、热交换器单元16位于涡轮增压风机11底部的圆孔内，圆孔的直径为50mm-100mm，圆孔与涡轮增压室相通连。热交换器单元16包括紫铜板管式热交换器，热交换器内置有防冻冷却液。
实施例
激光器工作介质为CO2，N2和He的混合气体，工作气压为100kPa，激光器采用紫外电晕预电离结构，放电方向与光轴方向垂直。激光腔外壳材料为不锈钢，其中主要放置主放电电极、预电离电极、涡轮增压风机以及热交换系统等。电极采用Ernst紧凑型电极，以获得优良的电场均匀性。预电离采用石英管紫外电晕预电离，在主放电前，预电离放电后，主电极间部分气体被电离，电极间阻抗下降，主放电辉光放电，均匀稳定。主放电电极间距10mm，电极宽度10mm，电极长度120mm，工作气体放电增益体积为12×103mm3。
激光谐振腔为平凹腔，由一个曲率半径为4m的全反镜和部分透射的平面输出镜构成一个稳定谐振腔。考虑到腔内的激光输出的增益较低，输出镜采用双面镀膜工艺，的腔内侧镀对中心波长10.6微米反射率为60％的膜层，外侧镀对中心波长为10.6微米的增透膜。
激光器系统由激光头、高压电源、脉冲形成单元、脉冲触发电路和触发信号源等几部分组成。涡轮增压风机开启后，激光头内气流由风机出口高速喷出，流经主电极。高压电源开启，将脉冲形成单元内储能电容迅速充至设定电压。低电平触发信号经触发电路升压至2kV，触发闸流管导通，当闸流管被触发导通瞬间，预电离电容感应出高压，由于阴极与预电离之间间隙很小，首先放电产生紫外电晕。在紫外电晕预电离的作用下，主电极间电子迅速增加，当电子密度达到一定程度时，主电极间气体辉光放电，形成均匀激励场。激光脉冲在谐振腔内振荡输出。其脉冲重复频率由作为信号源的信号发生器控制，连续可调，最大输出信号频率为300kHz。
储能电容为C＝2nF，激光工作气体的混合比例选定为CO2∶N2∶He＝1∶1∶4。实验采用的能量计为molectron～100，示波器为TDS 3032B，高压探头为泰克公司的P6015A，电流计为罗斯科夫线圈A10。
采用P6015A高压探头，罗斯科夫线圈和数字存储示波器同步测量了18kV激励电压条件下，气体辉光放电电压与电流波形，如图2所示。图中通道1为放电电压波形，通道2为放电电流波形。高压开关导通30ns后，预电离电容与主电极阴极之间形成空气击穿。预电离电容充电时间约为60ns，然后迅速放电，其时间约为40ns。随着预电离产生的电子数浓度的增加，在100ns时刻左右，主电极开始放电，电电流最大值约为3kA，持续时间为400ns。主放电过程中，储能电容的大部分能量注入电极，在电极间形成放电均匀场。
放电电压20kV的条件下，由molectron～100能量计对激光输出脉冲能量进行测量。在脉冲重复频率1Hz的条件下，得到输出激光脉冲能量约为15mJ。调节电源电压，得到对应于不同放电电压条件下，能量的输出曲线，如图3所示。随着注入能量的增加，激光脉冲输出能量基本上呈线性增加的趋势。在16.5kV～21.5kV之间，激光脉冲输出能量随着激励电压的增加而较快增加。
涡轮增压风机的输入电压从0～250V连续可调，可以控制激光器腔体内激光混合气的循环速度，从而达到控制气体清洗系数的目的。实验中，分别选取20V、50V、100V、150V、200V、230V六档电压控制风速，在每档电压条件下，调节脉冲信号发生器的激光脉冲触发频率获得均匀稳定的激光脉冲输出。对应于涡轮增压风机不同输入电压条件下的风速与激光脉冲稳定输出的重复频率的关系如图4所示。在激光器内部激光混合气循环风速达到100m/s时，激光脉冲重复频率可以达到2kHz。
Claims (7)
1.一种高重复频率横向激励大气压CO2激光器，包括密封腔体、光学谐振腔、紫外电晕预电离与主电极、涡轮增压风机和散热冷却系统；其特征在于：
密封腔体包括密封罩、激光器基底，密封罩下口缘与激光器基底上表面密封固接，其内构成密封腔体；光学谐振腔、紫外电晕预电离与主电极、涡轮增压风机和散热冷却系统设在密封腔体内构成激光头主体；
密封罩侧壁设有接口，风机电源、主电极高压电气接口由密封接插件接入密封腔体内；
使用时，涡轮增压风机内的电机驱动直联叶轮高速旋转，工作气体经过涡轮增压由喷嘴高速喷出，流经主电极；激光电源开启后，激光器储能电容迅速充至设定电压；控制电路触发闸流管导通瞬间，预电离电容感应出高压，首先在阴极与预电离之间放电产生紫外电晕；在紫外电晕预电离的作用下，主电极间电子迅速增加，当电子密度达到一定程度时，主电极间气体辉光放电，形成均匀激励场，激光脉冲在谐振腔内振荡输出，脉冲重复频率大于2kHz；
其中，所述涡轮增压风机固定于密封腔体基底上表面，涡轮增压风机包括交流电机、叶轮、增压室和压缩喷嘴，涡轮增压风机的主轴线与光学谐振腔的主轴线相互正交；一电极支架立于风机喷嘴旁侧，主电极位于电极支架上端，压缩喷嘴中心高度与主电极水平中心位置高度相等；
涡轮增压风机的底部有一直径为50mm-100mm的圆孔，圆孔与涡轮增压室相通连，圆孔内嵌装有散热冷却系统的热交换器；
使用时，涡轮增压风机内的电机驱动直联叶轮高速旋转，工作气体经过涡轮增压由喷嘴高速喷出，直接吹向位于喷嘴旁侧的主电极；在涡轮风机运转的过程中，风机底部圆孔内会形成一个负压区，经过主放电区的工作气体，经50mm-100mm的圆孔自动流回风机涡轮增压室，在进入下一个循环前被紫铜板管式热交换器内防冻冷却液迅速冷却，再吹向主电极形成循环，无需循环风道设计，因而体积小。
2.如权利要求1所述的高重复频率横向激励大气压CO2激光器，其特征在于：所述光学谐振腔，包括全反镜、输出镜及与其相适应的高精度两维可调节镜座，全反镜、输出镜分别位于密封罩相对的前后端板上，两镜相互平行，光学谐振腔的主轴线垂直于两侧壁，谐振腔光轴中心位置与主电极轴向中心位置重合。
3.如权利要求2所述的高重复频率横向激励大气压CO2激光器，其特征在于：所述输出镜为部分反射镜，其材质为CO2红外激光波段窗口材料硒化锌、锗和砷化镓其中之一，其反射率根据激光工作介质的增益不同为30％到90％，其面型根据谐振腔的类型为平面，或球面；全反镜为后腔镜，为无氧铜基底经过超精铣或超精车加工而成，表面镀金膜或介质膜加以保护，其面型根据谐振腔的类型为平面，或球面。
4.如权利要求2或3所述的高重复频率横向激励大气压CO2激光器，其特征在于：所述全反镜，在波长可调谐的CO2激光器中，为一面闪耀光栅。
5.如权利要求1所述的高重复频率横向激励大气压CO2激光器，其特征在于：所述主电极分阳极和阴极，为钢质电极，电极放电区为一平面，与侧面采用圆弧面平滑过渡，阴极与阳极电极的间距为8mm到15mm可调。
6.如权利要求5所述的高重复频率横向激励大气压CO2激光器，其特征在于：所述主电极中的阳极与激光器金属外壳连接并接地，阴极通过高压电气密封接插件与储能高压电容相连。
7.如权利要求1、5或6所述的高重复频率横向激励大气压CO2激光器，其特征在于：所述紫外电晕预电离为轴向管状预电离，为石英材质，其管壁厚度为0.8mm～1.2mm，内径为3mm～5mm，内壁镀有0.05mm～0.15mm金属膜层，外壁紧贴主电极阴极；紫外电晕预电离的轴向与光学谐振腔的主轴线平行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130612 Termination date: 20161130 |