CN103138144B - 一种分立式气体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分立式气体激光器，包括激光放电系统、气动流场系统和温控系统，所述激光放电系统用于实现高压气体放电过程以形成激光辐射；所述气动流场系统用于为所述激光放电系统产生高速气体流场；所述温控系统用于控制所述激光放电系统的温度，并且，所述激光放电系统、气动流场系统和温控系统是相互之间独立的且进行封闭控制的系统。本发明将传统的激光放电腔从功能上进行分解，使之成为各自独立的控制三个系统，各系统以单一功能实现为目的，最大限度的拓展各系统材料元器件使用的适应性和使用寿命，提高各系统功能实现的有效性，增强整体系统的稳定性。

Description

一种分立式气体激光器

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种气体激光器，特别是一种分立式的气体激光器。

背景技术

作为激光技术发展的一个重要分支领域，气体激光器以其特征波段辐射、大能量、低成本等突出优势在军事、物理、生物、化学等多个领域发挥着广泛的应用。

常规气体激光系统常采用电激励方式形成激光辐射，大能量电力泵浦、高压气体放电过程导致气体增益介质的能级反转辐射出光，但是其中绝大部分泵浦电能量都转化为热量存在，只有极少部分能量形成最终的激光输出。对于传统设计的气体激光系统(激光放电腔)而言，放电实现、气体循环及有效散热功能的实现都要在放电腔内同时完成，系统运转主要通过有机的优化气体放电区、气动流场泵浦区和散热区特性来平衡和稳定放电腔内的气动循环平衡，气动流场沿激光放电腔形成内部循环；同时辅助散热措施保障温度控制平衡，最终使得一定重复频率条件下的高压气体放电平衡成为可能。

图1所示为传统气体激光器的激光放电腔的结构示意图。如图1所示，激光放电腔1包括高压气体放电功能区10、气动流场控制区11与散热区12，借助于气动流场控制区11控制的气体循环(箭头表示气体流动方向)，气体经由气体导流通道13进出放电区域，完成对气体放电的支持；散热方式主要为散热区12的散热器设置，冷却经由放电区10的出射气流，降低因高压气体放电所带来的腔体温度升高。该系统的有效运转需要放电、气体流场和散热这三部分功能区域的有效协同和高效实现，由于气体放电不确定性较高，影响因素复杂，诸多功能的同步高效能实现必然会造成整体系统稳定的下降，同时对于电极、风扇、散热器件等关键部件的使用寿命也会造成一定的影响。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是降低实现气体激光器在放电过程中多个功能之间平衡同步的难度。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种分立式气体激光器，包括激光放电系统、气动流场系统和温控系统，所述激光放电系统用于实现高压气体放电过程以形成激光辐射；所述气动流场系统用于为所述激光放电系统产生高速气体流场；所述温控系统用于控制所述激光放电系统的温度，并且，所述激光放电系统、气动流场系统和温控系统是相互之间功能独立且结构相对封闭自行控制的系统。

根据本发明的一种具体实施方式，所述激光放电系统包括激光放电腔和位于激光放电腔内的放电电极。

根据本发明的一种具体实施方式，气动流场系统包括风扇、风机、流道和喷口，其中风扇、风机和流道位于所述激光放电腔的外部，喷口位于所述激光放电腔的内部并与所述流道连通，所述气动流场系统通过所述喷口向所述激光放电腔内注入气体或从所述激光放电腔排出气体。

根据本发明的一种具体实施方式，所述喷口分为喷气喷口和吸气喷口，所述喷气喷口用于将经由流道传输来的气流喷射以经过位于所述放电电极之间的区域，所述吸气喷口用于将经过所述放电电极之间的区域的气体导出至所述流道。

根据本发明的一种具体实施方式，所述气动流场系统提供两种相反方向的气流循环模式，所述喷口既可作为喷气喷口，也可作为吸气喷口。

根据本发明的一种具体实施方式，所述吸气喷口包括吸气装置。

根据本发明的一种具体实施方式，所述风机应外置于所述激光放电系统产生的气动流场。

根据本发明的一种具体实施方式，所述温控系统包括位于所述激光放电系统的激光放电腔内的散热器和激光放电腔)外的加热装置。

根据本发明的一种具体实施方式，所述散热器和所述加热装置由一个外部控制器进行统一控制。

(三)有益效果

本发明提出以分立式结构为基础的气体激光器，其将传统的激光放电腔从功能上进行分解，使之成为独立的系统，即激光放电系统、气动流场系统和温控系统三部分，各系统以单一功能实现为目的，最大限度的拓展各系统材料元器件使用的适应性和使用寿命，提高各系统功能实现的有效性，增强整体系统的稳定性。

附图说明

图1所示为传统气体激光器的激光放电腔的结构示意图；

图2所示为本发明的分立式气体激光器的一个实施例的结构设置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出以分立式结构为基础的气体激光系统，将传统的气体激光器的激光放电腔内结构分解为气动流场系统、激光放电系统和温控系统三部分，所述激光放电系统、气动流场系统和温控系统是相互之间功能独立且结构相对封闭自行控制的系统。所谓相互之间功能独立是指与传统气体激光器相比，改变了以往气动流场系统、温控系统和激光放电系统共容激光放电腔内这一根本结构特点，采取分立式结构划分，通过各个功能性系统模块的组合拼接建立和保障整体激光系统的有效运转，在一定程度上将有效降低多功能模块共容所带来的系统复杂设计及技术风险，相应增强系统的稳定可靠特性；同时对于各个分立系统模块而言，可以在一定程度上更为宽泛的进行器件选择优化，不再受到来自空间结构、总体效能优化等多方面的限制。并且由于功能封闭控制，各自系统模块的功能运转将更少的受到来自其他模块的影响，系统诊断和问题排查定位也将变得更加容易，元器件、部件更换以及模块系统维护、修缮也将变得更为简单有效。

激光放电系统主要用于实现有效的高压气体放电。与传统一体式放电腔结构相比，由于减少了气动循环部分，放电过程的有效性和稳定性会显得更加突出，同时在一定程度上还可以减少气动流场系统所带来的额外热量影响。

气动流场系统主要用于使增益气体经由放电区域的往复循环，尤其针对具有较高重复频率运转的气体激光系统。分立式结构设计使得气体流场系统可以最大限度的选择满足性能要求的风扇(材料、尺寸、结构)和风机系统，借助特殊设计的入射喷口与放电系统相连接，而后经由出射喷口回复，建立外部气动循环。与传统一体式放电腔结构相比，喷口结构及矢量喷射气流调整方式不但可以最大限度的保障气流对于放电有效性的方向性、均匀性、稳定性和速度要求，支持放电的有效运转，而且可以通过喷口尺度的变化改变入射及出射气流的压力，改善气体高重复频率运转条件下电极附近热积累的情况，同时在一定程度上降低风机系统的注入功率和风扇结构的设计难度，改进传统气体放电腔体流道固定、且结构易受温度压力变化影响的不足。

温控系统主要用于控制激光放电系统的温度。具体来说，主要是负责对放电腔内高压气体放电所产生的热量进行冷却和转移及温度控制。由于气体激光系统存在特征工作温度(最佳运转工作温度)，所以有效的温度控制(不仅仅是单纯的散热冷却)就显得尤为重要。与传统一体式放电腔结构相比，由于减少了气动循环部分，散热功能可以通过更加自由的设计规划散热器的位置和规格来实现，最大限度的保障高压气体放电所产生的热量耗散，同时辅助加热措施(加热带等)，减少系统预热时间(系统开机至达到最佳工作温度的时间)。

图2所示为本发明的分立式气体激光系统的一个实施例的结构设置示意图。如图2所示，该实施例的气体激光系统2包括激光放电系统、气动流场系统和温控系统。

激光放电系统主要由激光放电腔201构成，激光放电腔201中具有放电电极202及其它相关结构。激光放电系统用于实现高压气体放电过程。具体来说，激光放电系统借助于放电电极(包括阴极和阳极)将泵浦电能量传输至放电电极间流动的气体上，流动气体作为增益介质在高压放电的强场作用下电离，利用能级间的粒子数翻转-能级跃迁形成相应的激光辐射。再通过谐振腔镜建立激光的方向性和具备一定模式特性的选择输出。本发明的激光放电系统相当于传统的气体激光放电腔中的激光放电功能部分，因此可以根据传统的激光放电腔设计其结构，因此其详细结构的实现在此不再详述。

气动流场系统为连接激光放电系统的独立的外部循环系统，用于在高重频激光运转条件下为激光放电系统产生高速气体流场。其包括风扇211、风机212、流道213和喷口214，风扇211、风机212和流道213位于激光放电腔201的外部，喷口214与流道213连通，风机212经由外部电力驱动风扇211形成特定方向的气体流动，可以根据气流速度的要求以及均匀特性相应的优化风扇的扇片结构、角度、材质等特性，以产生满足要求的气体流；流道213是风扇211所产生气流的传输通道，有效的流道设计可以对于流道213横截面流场的分布均匀性以及流速产生一定的作用，以确保进入激光放电腔的气流可以满足高压高频气体放电的需求，同时从激光放电腔排出的气流可以尽快的回流至风扇系统，以建立有效的气动循环；喷口214是气体流道213和激光放电腔201连接的重要环节，借助于喷口214的几何设计和结构特征可以改变通过气体流道213传输过来的气流压力和横向流场分布均匀特性，最大程度的满足气体放电需求，同时在一定程度上降低了单纯气体流道213进入激光放电腔201模式下对于风扇转速的要求，对于提升风扇的使用寿命将会起到一定的帮助。

风机212作为风扇211的驱动源，借助于耦合装置与风扇211连接，支撑风扇211的高速转动。由于会产生一定的噪声和振动，风机212应外置于气动流场，如图2所示；为保障高速均匀的气体流场分布，风扇211常采用贯流式正切风扇；流道213是连接风扇211与喷口214之间的通道，可以经控制改变其几何形状以改变气流方向和压力大小；喷口214与流道213相连接，但位于激光放电腔201的内部，其从功能上分为喷气喷口和吸气喷口，在如图2所示的工作状态下，左边的喷口为喷气喷口，右边的喷口为吸气喷口。喷气喷口把经由流道213传输来的气流喷射经过放电电极202之间的区域，以保障放电过程的稳定有效，同时，在气流通过放电电极202之间的区域后，吸气喷口则用于将气流导出至气体循环流道213，回流至气动流场系统，以实现周而往复的循环。

由此可见，在传统气体激光器中，气动流场分布在放电腔201中的循环往复，而在本发明的激光放电系统中，气动流场在激光放电系统中单向通过。由于气体流速、均匀性和稳定性可以通过气动流场系统获得良好的控制，所以放电过程的有效性将更多的考虑气体组分、气压、电极间距等相关因素的影响。另外，与传统的气体激光系统相比，由于激光放电系统没有风扇转动的干扰，气体放电过程的稳定性也会得到显著的提升。

此外，由于不涉及一体集成的限制，风扇211可以选用功效更高的大功率涡轮风扇(传统风扇为贯流风扇，且尺寸受限于腔体大小)；喷口214为连接气动流场系统与激光放电系统的重要环节，喷口214通过改变其结构和运转方式(如矢量喷射气流)不但可以最大限度地保障气流对于放电有效性的方向性、均匀性、稳定性和速度要求，支持放电的有效运转，而且可以通过喷口尺度的变化改变入射及出射气流的压力，或者在气流出射端增加吸气装置，以加速废气排出，增强高重复频率运转条件下气体循环的有效性，改善传统气体放电腔电极附近热积累对电极寿命的影响，同时在一定程度上降低风机系统的注入功率和风扇结构的设计难度，改进传统气体放电腔体流道固定、放电区域流场均匀稳定性较差，且结构易受温度压力变化影响的不足。

另外如图2所示，本发明的气动流场系统支持双向气流循环，可根据实际需要选择气动流场循环方向。如图2所示，风机212带动风扇211高速转动形成气流，并经由流道213，借助于喷口214进入激光放电腔201，继而经由气体流道213回流至气动流场系统，由此，整体气动流场形成顺时针流向(如图2中箭头所示方向)。然而，由于本发明得益于气动流场系统与激光放电系统的物理分离特性，亦可根据实际情况适当调节风扇系统的位置，以改变气动流场的气流传输方向，沿逆时针方向运转(图2中未示出这种方式)。当气流循环方式改变时，两个喷口214的功能也随之切换。优选地，所述喷口214同时具有喷气喷口和吸气喷口的功能，以适应这种切换的变化。

温控系统也是与所述激光放电系统以及气动流场系统独立的系统，其主要包括位于激光放电系统的激光放电腔201内的散热器231和激光放电腔201外的加热装置232。激光放电腔201内的散热器231主要针对高压气体放电进行多余热量冷却，保证激光运转最佳工作温度控制。与传统气体激光系统相比，散热器231的位置、数量、结构、尺寸等相关特性设计会变得更加灵活有效，散热的有效性自然会相应提高；激光放电腔201外(例如位于激光放电腔底部)的加热装置232(例如为加热带等)主要对激光放电腔201进行辅助加热，减少系统开机后的系统预热时间(系统开机至达到最佳工作温度的时间)。所述散热器231和所述加热装置232由一个外部控制器(未示出)进行统一控制。此外，所述温控系统还可包括温度传感器等检测元件，以精确测量各系统部件的温度，以实现对激光放电系统温度的精确控制。具体控制方式可由现有的各种控制方式完成，在此不加详述。

本发明通过分立结构方式将整体系统规划为气动流场系统、激光放电系统和温控系统三部分，改善了传统激光放电腔放电、流场、散热多功能集成所造成的整体系统稳定性下降特性，改进了气动流场系统结构特性，提升了放电区域气动流场特性对有效放电的支持；减少了放电腔热量损耗；优化了散热系统结构及配置，提高了散热效率；提高了元器件使用寿命，改进了各系统使用效率，增强了整体激光系统稳定运转特性。

本专利所提出的分立结构气体激光系统与传统气体激光系统相比，增强了气动流场在放电区域的工作特性，提高了系统有效放电激光辐射的稳定性，同时相应改善了关键部件使用寿命。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种分立式气体激光器，其特征在于，包括激光放电系统、气动流场系统和温控系统，所述激光放电系统用于实现高压气体放电过程以形成激光辐射；所述气动流场系统用于为所述激光放电系统产生高速气体流场；所述温控系统用于控制所述激光放电系统的温度，并且，所述激光放电系统、气动流场系统和温控系统是相互之间功能独立且结构相对封闭自行控制的系统，其中，

所述气动流场系统包括风扇(211)和风机(212)，所述风机(212)外置于所述激光放电系统产生的气动流场。

2.如权利要求1所述的分立式气体激光器，其特征在于，所述激光放电系统包括激光放电腔(201)和位于激光放电腔(201)内的放电电极(202)。

3.如权利要求2所述的分立式气体激光器，其特征在于，所述气动流场系统还包括流道(213)和喷口(214)，其中风扇(211)、风机(212)和流道(213)位于所述激光放电腔(201)的外部，喷口(214)位于所述激光放电腔(201)的内部并与所述流道连通，所述气动流场系统通过所述喷口(214)向所述激光放电腔(201)内注入气体或从所述激光放电腔(201)排出气体。

4.如权利要求3所述的分立式气体激光器，其特征在于，所述喷口(214)分为喷气喷口和吸气喷口，所述喷气喷口用于将经由流道(213)传输来的气流喷射以经过位于所述放电电极(202)之间的区域，所述吸气喷口用于将经过所述放电电极(202)之间的区域的气体导出至所述流道。

5.如权利要求4所述的分立式气体激光器，其特征在于，所述气动流场系统提供两种相反方向的气流循环模式，所述喷口(214)既可作为喷气喷口，也可作为吸气喷口。

6.如权利要求5所述的分立式气体激光器，其特征在于，所述吸气喷口包括吸气装置。

7.如权利要求1所述的分立式气体激光器，其特征在于，所述温控系统包括位于所述激光放电系统的激光放电腔(201)内的散热器(231)和激光放电腔(201)外的加热装置(232)。

8.如权利要求7所述的分立式气体激光器，其特征在于，所述散热器(231)和所述加热装置(232)由一个外部控制器进行统一控制。