CN106129785B - 一种并列导通开关结构及具有该结构的脉冲气体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有并列导通开关的脉冲气体激光器，采用并列的多放电室结构,每个放电室采用由上电极、下电极和中间旋转电极的三电极结构，并基于三电极结构实现多个放电室的同步导通。放电腔，包括主放电电极和下电极；所述主放电电极为保持绝缘距离排列的多段短电极，所述多段短电极与所述分列的电容器组中电容器组对应连接。多段同步放电激励高功率脉冲气体激光器，通过多列开关单元的并行导通解决了大能量激励下脉冲功率开关负荷过大的问题，又通过多段电极形式解决了大体积高能量放电不均匀不稳定的问题，使高功率脉冲气体激光器的功率水平大幅提升，也可以有效提升激光器系统的稳定性。

Description

一种并列导通开关结构及具有该结构的脉冲气体激光器

技术领域

本发明属于高功率脉冲气体激光器技术领域。具体地，涉及一种并列导通开关结构及具有该结构的脉冲气体激光器。

背景技术

随着技术的进步，能量光电子产业在现代产业中变得越来越重要，而激光作为能量光电子产业的技术支撑也一直在快速发展。在市场应用的推动下，多波长和高功率一直是激光器技术发展的两个主要方向。不同的波长，可以满足不同领域的需要；而高功率则是提高激光器工作效率和改造传统加工处理手段的必然选择，对于激光加工和材料改性等应用领域来说，只要激光器功率可以提高，激光技术的价值就会变得越来越大，应用就会越来越深入和广泛。在国外市场上，高功率激光器件占据市场份额的主要部分；而国内则是低功率器件为市场主导，据此也普遍认为国内的激光产业属于低端水平，通过这样一个产业技术水平的评判标准可也以看出激光器功率指标的重要。

在激光器产品中，高功率脉冲气体激光器因其输出激光功率高、峰值功率高、工作波长多样、耦合系数高、维护运行成本低等诸多优点，占据较为重要的位置。在国外市场上，高功率激光器件占据市场的主要部分；而国内则是低功率器件为市场主导，由此发展大功率激光器件成为产业提升的重要内容。

对于一般的高功率脉冲放电激励气体激光器而言，注入能量制约着激光器的输出水平，同时大体积均匀稳定放电也成为器件研究的技术重点。在能量注入上，形成高能激励脉冲的开关系统无法承受大电流的冲击，电极烧蚀严重。而在均匀放电方面，由于不得不采用大体积放电结构，电极型面的不平行度、起始放电本身的不确定性、放电等离子体复合程度、循环气流不畅通等导致放电异常，这种异常放电会导致辉光向弧光的转移；也会形成定点放电，定点放电既会形成弧光，也会造成电极烧蚀；这些情况轻者会导致激光器的功率输出波动；重者会引起激光器发生短路，导致激光中断甚至烧毁开关或放电腔。由此可见，发展大功率脉冲气体激光器既要做到高能量注入以满足功率输出的需要，还必须要保证稳定可靠放电满足使用性和实用性需要。

发明内容

为了有效克服现有高功率脉冲气体激光器的技术问题，本发明提出一种并列导通开关结构及具有该结构的脉冲气体激光器。

具体地，所述激光器包括：

并列导通开关，所述开关包括：

并列的开关放电室，所述并列的开关放电室彼此隔离，并具有一贯通的旋转轴；

所述开关放电室具有：

旋转电极，设置于所述旋转轴上；

第一电极，设置于所述开关放电室一侧；

第二电极，设置于所述第一电极的相对侧；

所述并列的开关放电室中的旋转电极彼此电连通；

所述并列的开关放电室中的第一电极彼此电绝缘；

所述并列的开关放电室中的第二电极彼此电连通。

分列的电容器组，所述分列的电容器组中电容器组相互隔离，且与所述并列的开关放电室中的所述第一电极对应连接；

放电腔，包括主放电电极和下电极；所述主放电电极为保持绝缘距离排列的多段短电极，所述多段短电极与所述分列的电容器组中电容器组对应连接。

优选地，高压触发脉冲施加于所述旋转电极，控制并列的开关放电室的同步导通。

优选地，所述并列的开关放电室由圆筒形绝缘体形成。

优选地，所述旋转电极为镶嵌于旋转轴的圆筒形电极。

优选地，所述开关放电室具有第一放电间隙和第二放电间隙；所述第一放电间隙位于所述旋转电极与所述第一电极之间；所述第二放电间隙位于所述旋转电极与所述第二电极之间；所述第一和第二放电间隙之间有高速气体流过。

优选地，所述并列的开关放电室之间通过隔离盘隔离。

优选地，所述下电极为通长结构，与所述主放电电极首尾长度一致。

本发明中还具有一种并列导通开关，所述开关包括：

并列的开关放电室，所述并列的开关放电室彼此隔离，并具有一贯通的旋转轴；

所述开关放电室具有：

旋转电极，设置于所述旋转轴上；

第一电极，设置于所述开关放电室一侧；

第二电极，设置于所述第一电极的相对侧；

所述并列的开关放电室中的旋转电极彼此电连通；

所述并列的开关放电室中的第一电极彼此电绝缘；

所述并列的开关放电室中的第二电极彼此电连通。

本发明的有益效果是：

1、脉冲开关承担的负荷会有较大的降低，开关烧蚀会明显减弱，溅射引起的绝缘降低也可以有效减少，开关间隙的循环气体压力和流量也不必过高。

2、电极承受的导通能量也变为原本的几分之一，减少电极的负担。

3、电极型面的高平行度容易实现，高平行度和降低的导通能量会使均匀放电得到保障，使主放电稳定性和可靠性极大加强。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1为本发明实施例的多导通单元并列开关结构示意图。

图2为本发明实施例的高功率脉冲气体激光器放电回路示意图。

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，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。由于激光器整机系统较为复杂，发明中激光器的充电部分属于常规技术不再赘述，下面主要结合激光器的放电回路来说明发明所采用的技术方案。

实施例一：

以图1为例，本发明的具有并列导通开关的脉冲气体激光器，是具有多段同步放电功能的高功率脉冲气体激光器，主要包括高能激励脉冲形成开关系统和与之相匹配的主放电结构，由此解决大能量注入和稳定激励的技术难题，使激光器实现高功率输出和稳定工作。

多导通单元并列结构开关，高能激励脉冲形成开关系统，该开关系统主要结构为由圆筒绝缘体形成的开关放电室结构，中间为一贯通式旋转轴。作为放电室，其他绝缘结构亦可作为放电室使用。

圆筒的上、下两方安装导电电极，中间的贯通式旋转轴也镶嵌圆筒型电极。开关系统为上、下电极和中间的旋转电极构成的三电极结构。每个导通单元上下方的固定电极和中间电极形成两个放电间隙，这两个间隙有高速气体流过。当然，在三电极结构中，上下电极与中间旋转电极只需保持相对位置均可以实现其功能，即上电极、下电极和中间电极实际位置可以设定。

由三电极结构构成的多个导通单元沿圆筒轴向排列，彼此之间通过隔离盘隔离，形成相互隔离的放电室。中间旋转电极接高压触发脉冲，同步控制所有单元的导通。

上电极之间彼此电绝缘，中间电极和下电极是分别电连通的。图1中，多导通单元并列结构开关如下：1为上电极，2为隔离盘，3为中间旋转电极，4为转动轴，5为下电极。

实施例二：

图2为高功率脉冲气体激光器放电回路的示意图，10为多单元并列开关，20为分列的电容器组；30为放电腔。

多段同步放电高功率脉冲气体激光器，通过多列开关单元的并行导通解决了大能量激励下脉冲功率开关负荷过大的问题，又通过多段电极形式解决了大体积高能量放电不均匀不稳定的问题，使高功率脉冲气体激光器的功率水平大幅提升，也可以有效提升激光器系统的稳定性。

纵列多段电极是激光放电腔的主放电电极，将高压电极设置为多段短电极，并且纵向排列，当然，依据不同的放电腔特点，可以采取诸如阵列等其它排列方式。电极之间保持一定绝缘距离，下电极为通长结构，长度与纵向排列的上电极首尾长度一致。

实施例三：

例如图1、图2所示，一个开关单元中，一个电容组和一段电极三个部分形成一个回路。激光器放电系统由n组这样的回路组成，当整个回路处于充电完成状态时，施加一个50kV的高压触发脉冲于开关的中间轴，即施加于中间电极。电容器组分别经各自开关单元在相应电极段放电，对激光腔内的激光气体实施放电激励，经谐振腔后既可输出激光。

一般来说，如果电容器组总的储能达到200J、导通功率达到100kW时，如果按照常规的技术方案，对于一个开关，或一个定长度的电极(例如1米长的电极)来说，都是极高的负荷状态。对于开关而言，电极面积很小、放电室的空间也比较狭小，使得电极散热、冷却、表面绝缘都没有太多的发挥空间，只能承受大电流带来的高温、溅射冲击，从而导致电极严重烧蚀，影响正常工作。

对于主放电电极而言，尽管电极有足够大的面积，但存在的技术问题同样严重，一方面电极不容易保证型面的严格平行，较易出现不均匀放电现象，这样局部定点烧蚀会劣化主电极表面，导致定点放电成为弧光放电。另一方面，不均匀放电产生的高热会引起电极绝缘部位的过热，这会导致主电极间的放电发生转移，形成高压电极到侧壁的强烈放电，这种异常的放电会因为绝缘部位绝缘性能严重下降导致放电扩大，会导致激光器不能出光而至放电室烧坏。

上述的两种情况，在本发明实施例中的激光器装置中会有明显的改变，首先，脉冲开关承担的负荷会有较大的降低，因为在原有激光器系统上，本单元开关要承受全部的放电负荷，在本发明实施例中，只有1/n左右的承载量，这样开关烧蚀会明显减弱，溅射引起的绝缘降低也可以有效减少，开关间隙的循环气体压力和流量也不必过高，因而正常工作能力大幅加强；其次，主放电电极被变成n段，电极承受的导通能量也变为1/n，这会减少电极的负担，但同时电极尺寸变化会使电极型面的高平行度容易实现，这样高平行度和降低的导通能量会使均匀放电得到技术上的保障，使主放电稳定性和可靠性极大加强。

本实施例通过对开关和主放电两个关键技术系统的设计，兼顾提升注入能量和保持稳定工作两方面的要求，对实现万瓦脉冲气体激光器、对高功率脉冲气体激光器产业化都将会有一定的推动作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有并列开关放电室的脉冲气体激光器，其特征在于，所述激光器包括：

多个开关放电室，所述多个开关放电室并列设置、彼此隔离，并具有一贯通的旋转轴；

所述开关放电室具有：

旋转电极，设置于所述贯通的旋转轴上；

第一电极，设置于所述开关放电室一侧；

第二电极，设置于所述第一电极的相对侧；

所述多个开关放电室中的旋转电极彼此电连通；

所述多个开关放电室中的第一电极彼此电绝缘；

所述多个开关放电室中的第二电极彼此电连通；

多个电容器组，所述多个电容器组相互隔离、分列排列、且与所述第一电极对应连接；所述多个电容器组的每个电容器组包含多个电容器；

放电腔，包括主放电电极和下电极；所述主放电电极为保持绝缘距离排列的多段短电极，所述多段短电极与所述分列的电容器组中电容器组对应连接。

2.根据权利要求1所述的脉冲气体激光器，其特征在于：所述下电极为通长结构，与所述主放电电极首尾长度一致。

3.根据权利要求1所述的脉冲气体激光器，其特征在于：

高压触发脉冲施加于所述旋转电极，控制并列的开关放电室的同步导通。

4.根据权利要求1所述的脉冲气体激光器，其特征在于：所述并列的开关放电室由圆筒形绝缘体形成。

5.根据权利要求1所述的脉冲气体激光器，其特征在于：所述旋转电极为镶嵌于旋转轴的圆筒形电极。

6.根据权利要求1所述的脉冲气体激光器，其特征在于：

所述开关放电室具有第一放电间隙和第二放电间隙；

所述第一放电间隙位于所述旋转电极与所述第一电极之间；

所述第二放电间隙位于所述旋转电极与所述第二电极之间；

所述第一和第二放电间隙之间有高速气体流过。

7.根据权利要求1所述的脉冲气体激光器，其特征在于：

所述并列的开关放电室之间通过隔离盘隔离。

8.根据权利要求1所述的脉冲气体激光器，其特征在于：所述第二电极和所述下电极接地。

9.一种并列导通开关，其特征在于，所述开关包括：

并列的开关放电室，所述并列的开关放电室彼此隔离，并具有一贯通的旋转轴；

所述开关放电室具有：

旋转电极，设置于所述旋转轴上；

第一电极，设置于所述开关放电室一侧；

第二电极，设置于所述第一电极的相对侧；

所述并列的开关放电室中的旋转电极彼此电连通；

所述并列的开关放电室中的第一电极彼此电绝缘；

所述并列的开关放电室中的第二电极彼此电连通。

10.根据权利要求9所述的并列导通开关，其特征在于：

高压触发脉冲施加于所述旋转电极，控制所述并列的开关放电室的同步导通。