CN1026742C - 一种新型同轴脉冲闪光灯装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种新型同轴脉冲闪光灯，属激光物质的光学泵浦光源。

本发明是由：a.同轴脉冲闪光灯主体；b.圆柱形同轴流体缓冲器；c.圆柱形同轴外部流体冷却套这三大部分组成的一个高能量短脉冲同轴闪光灯。

由于本发明的设计克服了已有激光泵浦光源存在的缺点，从而提供了一种实用性强，高能量，短脉冲，长寿命的高重率的激光物质的光学泵浦光源。

Description

本发明是一种新型同轴脉冲闪光光灯，属激光物质的光学泵浦光源。

目前，国内常用的激光泵浦光源几乎全是用直管脉冲闪光灯。而直管闪光灯的固有缺点之一是自身电感较大，很难达到闪光脉宽微秒量级，因而用它泵浦短激发态寿命的激光介质，例如，染料激光和掺钛宝石激光等激光器件时，总是效率很低。此外，直管闪光灯在短放电放脉宽下使用时，发光效率很低，允许的使用能量也很低，而且使用寿命短。例如，电极间距10厘米的直管闪光灯，允许的能量为20～30焦耳/脉冲，当闪光脉宽为50微秒时，在40～50焦耳/脉冲条件下使用，一次放电或者至多几十次放电之后，直管闪光灯的发光效率就大大降低甚至发生爆炸。用国产电极间距为20厘米的直管闪光灯泵浦染料激光器件，激光输出最多是几十至一百毫焦耳/脉冲，用直管闪光灯泵浦长度只有几厘米长的掺钛宝石光器，即使采用双灯泵浦和双椭圆聚光筒，激光输出最多只能达到几十毫焦耳/脉冲，而且使用寿命很短。另外用直管闪光灯泵浦激光介质时，必须采用聚光成像法去照明激光工作物质，但很难实现对激光介质均匀照明，因而一般激光光束质量较差，除非采用专门的选模技术来提高光束质量，但那样又会大大降低激光效率。因此，用直管脉冲闪光灯作激光泵浦光源有其不可克服的缺点。

本发明的目的是克服已有激光泵浦光源存在的缺点，设计一种实用性强，高能量，短脉冲，长寿命，高重复率的激光物质的光学泵浦光源-一种新型同轴脉冲闪光灯。

本发明由三部分组成：

一.同轴脉冲闪光灯主体;

二.圆柱形同轴流体缓冲器;

三.圆柱形同轴外部流体冷却套

这三部分紧密地连接成一个高能量短脉冲同轴闪光灯装置整体。

下面结合附图对本发明说明之。

附图1是本发明的剖视图。

本发明的第一部分同轴脉冲闪光灯主体部分由灯端法兰盘14，灯内管4，灯外管5，正电极7，7′，负电极8，8′，绝缘子9，聚光层10，兼作负极联线的保护层11等构成;

第二部分圆柱形同轴流体缓冲器由：灯端法兰盘14，流体缓冲器帽17构成;

第三部分圆柱形同轴外部冷却套由：灯端法兰盘14和外部冷却套壁25组成。

灯端法兰盘14为三个组成部分的中间公用物，但在同轴闪光灯无内部冷却液时，不能使用。

工作时，同轴脉冲闪光灯主体部分的灯内管4 和灯外管5之间的夹层空间构成放电通道6，在要求进行最短的脉冲放电时，使用正极7和负极8′，放电脉宽约1us左右;当要放电脉宽大于10us时，使用正极7和8。同轴流体缓冲器是为了灯内均匀冷却。当冷却液为激光染料溶液时，染料溶液可单独作为激光介质使用，同时兼作灯内管冷却液。染料由外循环泵通过入口22进入，在流体缓冲器中减速和稳定，然后均匀地流过灯内管4的内部到17端，再由流体出口22′流出，经管道流回液体容器。当泵浦固体激光棒时，固体棒的两端分别架在两端流体缓冲器的中心孔中，流体是在激光棒与灯内管构成的夹层中流动，同时冷却激光棒和灯内管。如果冷却液采用激光染料溶液，那么冷却液除了起冷却作用外，还可起到荧光转换泵浦的作用，这就大大提高了泵浦效率。圆柱形同轴外部冷却套，是外部冷却液经循环泵由入口26进入外冷却套，外部冷却液充满外部冷却套腔27，再由出口26′流出，经管道流回外部冷却液容器，作用是带走灯电极及灯外管因放电而产生的热量，以保证在重复频率工作中电极和外灯管不会过热，同时也保证灯的真空密封胶合物不会因过热而破坏，从而延长了灯的使用寿命。

本发明的设计既科学又合理体现在：

一、同轴脉冲闪光灯主体部分：

1.为了实现对称均匀地照明激光介质，整体采用同轴结构。灯内管4灯外管5，聚光反射层10，兼作电极引线的金属保护层11，电极7和7′，电极8和8′，绝缘子9，灯端法兰盘14，两端的流体缓冲器帽17，外部冷却套壁25以及密封环19和压环20均为同轴结构。灯内管4和灯外管5均由高质熔融石英玻璃管制成，它们之间的环柱形夹层构成高温等离子体放电通道6，正电极7和负电极8′中夹有橡胶绝缘子9，灯外管5外面附有圆筒聚光反射层10，10的外面附有兼作负极引线的圆筒形金属膜保护层11，电极7与石英灯内管4及灯外管5之间的密封连接采用胶封12，同轴灯的真空封离口13在灯外管5一端的加粗部位的侧面，绝缘子9靠在正电极7的侧面。这一设计结果，使得在两电极之间灯管中段有效利用的长度内无任何影响光照均匀的因素，从而保证激光介质可以得到均匀的照明。

2.为了允许采用较大截面积的电极，减少在高能量短脉冲放电条件下电极表面因高电流密而产生溅射现象，本发明采用外灯管5两端加粗加大壁厚的设计（即灯外管5两端的直径大于灯外管中段的直径），由于外灯管加粗，电极截面积被加大，从而减小了单位电极截面上承受电流密度，这就减轻了电极产生溅射的程度或者允许使用更高的放电输入能量。

3.为了进一步减轻高能量短脉冲中放电条件下电极产生溅射的程度，采用了大伸入电极设计，即整体成型的异型环状电极头7伸入放电夹层即伸入到灯外管5两端加粗部分的内部，电极头的侧面与电极头正面一起共同承受放电电流。由于电极头外表面积扩大了，因而电极头单位表面所承受的电流密度就减少了，这样就可以确保在很高能量的短脉冲放电条件下，电极表面不会出现严重溅射，同时延长了寿命。

4.为了保证电极头部不因电极持续处于高温状态而产生溅射和保护电极与灯内、外管之间的密封物不因高热而遭破坏，本发明采用了电极头前端部分向内加厚的设计。由于电极头前端向内侧加厚，因而电极头前端内侧能紧紧地贴在灯同管的外壁上，由于灯内管的内部始终有循环冷却液流动，因而电极头内侧的内灯管壁始终是冷的。这样电极头部能很快地通过灯内管壁把热量散去。因此，电极头就不会持续高温，也不会产生溅射。再由于电极头散热快，因而就不会因电极过热而破坏与它相连的封接面了。

5.为了便于电极整体加工和降低成本，本发明采用上述2-4的设计，除此而外，还采用了易于加工成型而又有良好电性能的铁、钛、镍、铬合金和其他合金材料制作的电极。

6.为了延长灯的使用寿命和便于加工制做、降低成本。本发明采用全胶合密封设计：见附图2，环形灯电极7与灯内管4和灯外管5之间，灯内管4与灯端法兰盘14之间均为胶合密封，其优点是：a）加工制作方便，造价低，而且密封性能好;b）.具有良好的抗冲击破坏能力。

7.为了减少同轴闪光灯自身的电感，利于短脉冲快速放电，本发明采用了用圆筒金属膜保护层把负电极引到电极正端绝缘子边侧的设计。这一设计的绝纱之处在于灯内放电电流方向是由正端流向负端，而兼作负端引线的圆筒形金属膜上的电流方向 则是由负端流向正端，两者电流大小相等而方向相反，因而达到了消除同轴灯自身电感的作用。

8.为了保证灯的两电极之间的闪光灯光能对激光介质腔中的激光介质均匀照明，本发明采用了把橡胶绝缘子。置于正端电极7的侧面周围的灯外管加粗部位，把灯的密封抽气口13置于负端电极侧面的灯外管加粗部位。这样设计的结果是在灯的两电极之间的中段没有任何影响均匀照明的东西，而且利于在灯管中段设置完整聚光反射膜10，从而保证灯中段提供均匀照明，同时也有利于提高激光效率。

9.为了提高闪光灯光能的利用率，把灯管中段向外辐射的闪光灯辐射光能量反射回来照射激光介质，本发明采用了在闪光灯的外灯管的外壁上附以高反射率金属膜，或者介质膜。

10.为了保证同轴闪光灯具有很高的发光效率，灯内充高纯氙气，也可以根据需要改充氩气和氪气。

二.圆柱形同轴流体缓冲器部分：

1.流体缓冲器是由聚四氯乙烯制成的中空的流体缓冲器帽17和灯端法兰盘14联合构成，它们之间的连接是依靠沿圆周均匀分布的多元螺钉18、23和环状橡胶密封圈24，灯端法兰盘14与外部冷却套2之间的连接是依靠沿圆周均匀分布的多元埋头螺钉23和胶合物密封连接。流体缓冲帽17向外一端中部凹进部位备有中心孔，孔中可以架设固体激光捧或者染料激光窗口，它们的密封和固定由橡胶密封圈19和压环20来完成。流体缓冲器的侧面设有流体进出口22，以便把循环冷却液引入缓冲腔16内部。流体缓冲帽17的中部设计成向内凹进，是为了阻止由流体入口进来的流体直接流进激光介质腔15，从而让流体先在环状缓冲腔16内减速，本发明的设计可以保证流体沿流体缓冲腔四周均匀地、平稳地流入激光介质腔15内。本发明采用聚四氟乙烯制做流体缓冲器，为了防止有机染料溶液对四壁的腐蚀。

三.同轴形外部流体冷却套部分：

外部冷却套壁25是由绝缘材料制成的两个半圆筒合并而成，两半之间的密封连接是依靠沿壁纵向对称分布的多元细钉18、23和橡胶密封物28来完成的，冷却套壁25与灯端法兰盘14胶合构成外部冷却腔27，冷却套外侧两端斜对角方向各设有一个流体进出口26。

1.外部冷却套具有多种功能：a.作为冷却套，可实行全浸没或静态液体冷却和流动式液体冷却;也可实行压缩气体流动冷却;在单脉冲运行时，可以实行自然冷却。b.可起安全防护罩的作用：可以防止灯闪光时强光对操作者眼睛的损伤;可以防止操作者因一时疏忽可能触及高电压的危险;还可以防止灯爆炸时可能对操作者造成的伤害。

2.外部冷却套壁设计成两个半圆对合形式的功用在于：a.为了便于安装电极引线和密封;b.为了在必要时不损伤灯体的情况下拆开冷却套对灯进行安全检查或维护。

3.流体进、出口设计在斜对角位置是为了保证冷却剂能均匀地实行冷却作用。

总之，本发明的技术方案是成功的，利用该方案研制成二种不同规格的高能量短脉冲闪光灯装置，它们的电极间距分别为12厘米和8厘米。

a.用电极距12厘米的同轴闪光灯装置泵浦7×45mm掺钛宝石棒，在输入能量为225焦耳/脉冲时，获得激光输出35毫焦耳/脉冲。这比用两支直管闪光灯和双椭圆聚筒泵浦同一根掺钛宝石棒时的激光输出高三倍以上。闪光脉宽小于1微秒，上升前沿0.1～0.2us，放电脉冲功率超过200兆瓦，放电电流大于14000安培。而且没有电极溅射和胶封破坏现象。

b.用电极距8厘米的同轴闪光灯装置泵浦7×70mm掺钛宝石棒，当输入能量为300焦耳/脉冲时，激光输出达到330毫焦/脉冲，比用两支直管闪光灯和双椭圆聚光筒泵浦同一根掺钛宝石棒时的激光输出高出5倍以上，其每单位长度所承受的放电能量来说，比国产直管闪光灯提高十倍以上，比国外同轴闪光灯提高四倍以上。在这样高的放电能量下，已经使用650余次，未见电极溅射和胶封损伤。由此可见本发明的设计和工艺是成功和实用的。如果在较长的脉冲宽度下使用还可以在数千焦耳的能量下使用，本发明不仅适用于泵浦染料激光和掺钛宝石激光器件，而且还适用于泵浦红宝石光和Nd：YAG激光以及其他激光器件。

附图说明：

1同轴脉冲闪光灯主体

2圆柱形同轴流体缓冲器

3圆柱形同轴外部流体冷却套

4内灯管

5外灯管

6高温等离子体放电通道

7、7′异型环状正端电极

8、8′异型环状负端电极

9绝缘子

10圆筒形聚光反射层

11兼作负端引线的圆筒形金属膜保护层

12真空密封物

13同轴灯的真空封离口

14灯端法兰盘

15激光介质腔

16流体缓冲腔

17流体缓冲器帽

18、23多元定位钉

19、24环状橡胶密封圈

20环形压圈

21通光孔或激光棒定位孔

22流体引入（出）孔

25外部冷却套壁

26外层冷却套流体入（出）口

27外层冷却腔

28橡胶密封物

Claims (7)

1、一种新型同轴脉冲闪光灯，其特征在于，是由灯内管4和一个套在灯内管4外部，与灯内管4同轴的灯外管5以及灯内管4和灯外管5两端的灯端法兰盘14，和在灯外管5端头的异型环状正电极7，7′和环状负电极8及8′，灯外管5的外层的圆筒形聚光反射层10，聚光反射层10的外面附有兼作负电极引线的圆筒型金属保护层11，以及与灯端法兰盘14相连的流体缓冲帽17和外部冷却套壁25构成的。

2、如权利要求1所述的新型同轴脉冲闪光灯，其特征在于，灯外管5的两端均被加粗，即灯外管两端的直径大于灯外管中段的直径。

3、如权利要求1所述的新型同轴脉冲闪光灯，其特征在于，正电极7和负电极8′之间夹有绝缘子9，并且置于正电极7附近的灯外管5的加粗位置外围。

4、如权利要求1所述的新型同轴脉冲闪光灯，其特征在于，异型环状电极7、7′可伸入到灯外管5的两端加粗部分的内部。

5、如权利要求1所述的新型同轴脉冲闪光灯，其特征在于，电极7、7′与灯内管4和灯外管5之间以及灯内管4与灯端法兰盘14之间均为胶合密封。

6、如权利要求1所述的新型同轴脉冲闪光灯，其特征在于，真空封离口13位于灯外管5-端加粗部位的侧面。

7、如权利要求1所述的新型同轴脉冲闪光灯，其特征在于，灯内管4，灯外管5，聚光反射层10，兼作负电极引线的金属保护层11，电极7和7¹，电极8和8′，绝缘子9灯端法兰盘14，两端的流体缓冲器帽17，外部冷却套壁25以及密封环19和压环20均为同轴结构。

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