CN106953225A

CN106953225A - 一种板条放电预电离横向激励大气压激光器

Info

Publication number: CN106953225A
Application number: CN201610009867.2A
Authority: CN
Inventors: 张志远; 邬江兴; 王伟平; 张宁; 邬东建; 王蓓
Original assignee: Beijing Bodeheng Laser Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Bodeheng Laser Technology Co Ltd
Priority date: 2016-01-06
Filing date: 2016-01-06
Publication date: 2017-07-14
Anticipated expiration: 2036-01-06
Also published as: CN106953225B

Abstract

本发明提供一种板条(SLAB)放电预电离横向激励大气压(TEA)激光器，简称SLAB-TEA激光器，其改进之处在于，具有设置在真空腔内的TEA主放电上电极、TEA主放电下电极、SLAB放电电极、TEA主放电间距支撑杆和SLAB预电离放电间距支撑片构成的SLAB-TEA复合放电结构，和设置在所述复合放电结构长度方向两端的光学谐振腔，设置于所述复合放电结构下方的气体扰动装置。本发明提供的技术方案可产生较高的初始电子密度，并以三维流动方式实现气体介质的冷却(置换)，便于塑造大体积理想形状的主放电等离子体，有利于主放电产生更高的激光功率，预电离技术更简约，成本更低廉。

Description

一种板条放电预电离横向激励大气压激光器

技术领域

本发明涉及板条(SLAB)放电、横向激励大气压(TEA)激光器技术领域，具体讲涉及一种板条放电预电离横向激励大气压激光器，简称SLAB-TEA激光器。

背景技术

上世纪60年代激光器问世所引发的光学科学革命，为人类社会进步以及人类思维广度和深度的拓展产生了巨大而深远的影响。特别在制造技术领域，出现了以激光技术为基础的全新的“激光思想、方法和手段”，相对于传统的机械硬去除(车削、铣削、磨学、镗、钻、冲压等)加工工艺，激光加工呈现出柔性、精细等优良特性，高熔点材料的激光3D打印更是引发了机械制造领域深刻的革命性变化，CO₂激光器在这场气势磅礴的“光技术”革命浪潮中一直扮演着重要角色，至今，仍然以优良的性价比，近似于理想的光束质量，广泛的工业加工应用，最佳的生物医学效应、最好的大气穿透性等显著特点而倍受青睐。

CO₂激光器诞生已大半个世纪，在电激励方向与形式、放电结构、气体工作冷却(置换)方式等方面经过漫长的演变以及多种形式变化，技术发展已经历了玻璃管全封离态、气体横向流动、气体纵(轴)向流动、扩散型冷却方式四代。气体工作介质的冷却方式是业界公认的具有化代意义的技术特征。

CO₂激光器家族中，第四代器件---射频激励扩散冷却板条波导CO₂激光器(简称SLAB-CO₂激光器)是气体激光器技术的一项重大突破，作为连续输出大功率激光的典型器件，具有连续输出、功率大、光束质好、性价比高等显著优点，在许多重要的应用领域，特别是工业加工领域得到广泛应用，是目前最先进的大功率CO₂激光器件之一。而横向激励大气压CO₂激光器(简称TEACO₂激光器)则是气体激光技术的另一项重大突破，作为脉冲输出高峰值功率的典型器件，具有峰值功率高、单脉冲能量大等显著优点。经历半个多世纪的发展，CO₂激光器作为工业加工应用主力激光器件，尽管在制造技术上已相当成熟，但现有器件的技术上缺陷，性能的不足，还不能满足更高层面应用的实际需求。

现有连续输出的典型SLAB-CO₂激光器在放电结构、电激励方式、气体工作介质的冷却方式方面存在技术缺陷：

第一，在放电结构方面，现有大功率SLAB-CO₂激光器的放电结构中板条波导电极的放电面既光谐振的波导面，放电间距即光波导间距d严格限制在1.5mm≤d＜6mm范围，均匀稳定放电的气压p值也较低，通常低于约30kp，使得pd积(气压、间距)较小，提高该激光器的输出激光功率仅靠增大放电面积，无法通过增高气压这种更有效的技术途径来实现。

第二，在电激励方式方面，射频激励以PWM控制的脉冲调幅方式为气体放电提供射频能量，虽然可精确控制板条(SLAB)放电的电离度，但脉冲调幅或斩波技术不能大幅提高射频脉冲的峰值功率，也就满足不了更大pd积气体辉光放电所需的电激励能量。

第三，在气体工作介质的冷却方式方面，现今还缺乏相比玻璃管全封离态、横流、轴(纵)流、扩散冷却这四种方式更有效的气体工作介质冷却方法。受上述三个根本性技术缺陷的制约，目前单台SLAB-CO₂激光器在保持高光束质量的前提下若要进一步提高至十几、几十乃至数百kw现有技术还做不到，尽管光束质量高但输出功率不足，因为功率不足激光束聚焦工作点的直径就要小，瑞利长度(焦深)就短，这严重制约了激光先进制造技术的应用和发展。

现有很高水平的脉冲输出的典型器件TEACO₂激光器在技术上仍然还存在一些根本性缺陷：

第一，现有放电电极是预先设计的某种固定面型与结构，相对气体电离的动态变化过程是“静态”的，在理论上尚未完全研究透大pd值气体放电特性的前提下，放电电极这种预先固化的面型与结构难以以“静”应对不完全确定的多“变”；

第二，现有的次、主双放电激励方式，实现预电离的次放电通常是一次伴随性的被动的瞬间的放电瞬间过程，不能主动、动态、精确控制预电离强度；

第三，现有预电离技术如紫外、电晕、介质阻挡等虽然简单实用，但产生的初始电子密度不够，仅能制造MW量级的中小功率器件；而Gw、Tw量级器件需要采用电子束维持预电离，附加的电子束产生装置技术复杂、体积和重量大、成本高；目前缺乏一种简便易行能够产生大体积、高初始电子密度的预电离方法、技术及装置；

第四，现有紫外预电离方法，预电离放电区域“泛”，紫外光照射“漫”，预电离的效率不高，额外破碎性分解CO₂气体；

迄今还没有一种结构紧凑、成本低廉，兼顾连续、脉冲工作方式的放电结构，没有比次、主双放电更有效的复合放电方式。显然，现有TEA-CO₂激光器在关键的放电结构、电激励方法、预电离方式上需要有所创新。

综上分析，现有SLAB-CO₂、TEA-CO₂器件都已经无法突破制约进一步发展的技术瓶颈，然而无论科学研究还是生产实际，都迫切需要一种更高性能的新一代CO₂激光器。

为了实现现有技术的进一步发展，需要提供一种新型的激光器，满足放电结构、电激励方式、预电离方式上的创新。

发明内容

为了满足现有激光器的放电结构、电激励方式和预电离方式上的创新，进一步提高现有激光器的性能，突破制约进一步发展的技术瓶颈，提出一种板条放电预电离横向激励大气压激光器，简称SLAB-TEA激光器。

本发明提供的一种板条(SLAB)放电预电离横向激励大气压(TEA)激光器，其改进之处在于，所述激光器包括：在真空腔内纵断面两端设有光学谐振腔，从上至下一次设置的纵剖面为凸台，镜像对称设置的TEA主放电上下电极(1)和(2)，以及气体扰动装置(12)；所述TEA主放电下电极(2)包括位于所述TEA主放电下电极(2)纵向的、竖直设于过渡连接板(2-5)同侧的端部TEA主放电电极、中段TEA主放电电极以及位于所述端部和中段TEA主放电电极间或两中段TEA主放电电极间的所述中段SLAB放电电极(3)；所述中段TEA主放电电极与所述端部TEA主放电电极间设有SLAB预电离放电间距支撑片(5)；所述TEA主放电上下电极(1)和(2)两端间设有TEA主放电间距支撑杆(4)。

进一步的，所述TEA主放电上电极(1)包括支撑面和TEA主放电上放电面(1-1)；TEA主放电上放电面包括由竖直垂直贯通所述上放电面(1-1)的气流通孔阵列(1-3)分隔成的子放电面。

进一步的，所述端部TEA主放电电极横截面为镜像对称设置分别由两个两横臂长度一一对应相等且竖直方向高相等的“F”字形；所述中段TEA主放电电极横截面为长宽相等的两横臂，其纵面从上至下作为SLAB放电预电离的接地面(2-7)的第一横臂下的第二横臂设有辅助定位孔(2-10)的凸台(2-9)；所述SLAB放电电极(3)的横截面为“王”字形，纵截面竖直方向较短、横向较长的“T”字形；所述“F”、“王”和“干”字形从上往下数第二个横臂的各两臂间分别设置横断面为矩形纵断面为圆形的支撑片(5)。

进一步的，所述“F”形和所述“干”字形两者的高度相等，两者的两横臂均分别设置于同一水平面上、宽相等且其各自的端部在同一竖直线上；所述“王”字形的从上往下数的第一横臂与所述“F”、“干”字形的同一方向的第一横臂的下表面在同一水平面上，而该横臂的高度小于所述“F”和“干”的第一横臂的高度，其第三横臂下底面连接预电离激励电源。

进一步的，所述“王”字形SLAB放电块的顶端纵向设有梯形凹槽；于所述SLAB“王”字形的放电块的从上往下顺序的第三横臂内侧，与轴线平行处设有与所述凹槽平行的冷却水道(3-3)；所述SLAB放电块纵断面为横竖两部分组成的“T”字形，所述横部分的下侧设有以所述竖部分为轴线对称设置的有辅助定位孔(3-10)的圆形支撑平台(3-9)；所述竖部分轴线上设有对接安装辅助孔(3-4)；所述竖直部的底端设有与所述轴线平行的两个电源连接接口(3-5)。

进一步的，所述“F”和“干”字形TEA放电极由上往下第二横臂内侧纵向设有冷却水道(2-4)；在纵面从上至下的凸台下方的放电脊轴线上分别设有对接装配孔(2-3)；底部与过渡连接板(2-5)连接。

进一步的，“F”和“干”字形TEA放电脊由上到下的第一横臂横截面为梯形；其“王”字形SLAB放电块由上到下的第一横臂和第二横臂横截面为梯形。

进一步的，所述SLAB放电电极纵端面为垂直或倾斜的设置或不设置凸台(3-9)的横端面的顶部设有凹槽的平面。

进一步的，所述TEA主放电间距支撑杆(4)中间为粗圆柱体，两端为带有螺纹的细圆柱体。

进一步的，由TEA主放电电极与SLAB放电电极构成的相邻二放电脊之间的间隔(2-12)、相邻二横臂之间的间隙(2-13)、SLAB放电预电离的接地面(2-7)、TEA主放电区(8)、气流通孔阵列(1-3)自下而上形成贯穿整个复合放电结构的气体介质冷却通道(9)，并由于TEA主放电上电极(1)的阻挡形成气体介质的三维流动。

与最接近的现有技术比，本发明具有以下优异效果：

1、本发明提供的激光器中SLAB-TEA复合放电结构简约、紧凑，由气体工作介质冷却通道将构造相互独立的SLAB放电预电离区、TEA主放电区紧密联系，在气体电离的过程中建立起动态的大体积空间的放电关联性，便于塑造大体积理想形状的主放电等离子体。

2、本发明提供的激光器采用SLAB放电预电离，板条放电通道仅作为预电离放电、气体流动的通道，故预电离间距d₀相比传统的板条放电间距缩窄数倍至十数倍，SLAB放电预电离能够在很高的气压下实现均匀稳定的放电，激发足够数量的初始电子密度，有利于主放电产生更高的激光功率。

3、本发明提供的激光器的SLAB放电预电离严格约束在特设的板条放电通道内，相比紫外、电晕等预电离方法的“泛”放电和“漫”激发，预电离的有效性更高，不产生非必要的气体介质分解，可提供更高的初始电子密度；相比电子束注入的预电离方法，在初始电子密度可比拟的情况下，预电离技术更简约，成本更低廉。

4、本发明提供的技术方案中SLAB放电预电离可以主动、动态、精确控制预电离强度，预电离是“柔性”的，不过度破碎性地分解CO₂分子，既能保证为主放电提供足够的初始电子密度，又可保证参加主放电气体介质的“新鲜度”，这样预电离放电就可以是连续的，为主放电提供持续的“热态”或称“值班底火”，有利于提高主放电的可靠性。

5、本发明提供的激光器中板条放电块设置在下电极相邻二放电脊的间隔中，凸脊插入在间隙中并处于下放电面之下，这种结构一方面可以最大限度避免主放电的影响；另一方面，对气体流动有一定的导向作用，引导携带初始电子的气流吹向主放电区的中心区域，有利于提高主放电的稳定性。

6、本发明提供的激光器中SLAB放电预电离的整体电结构对外呈现阻抗Z₀、固有振荡频率f₀二个静态电参量，易于匹配馈入预电离放电的激励电功率。

7、本发明提供的激光器中SLAB-TEA复合放电结构中设有气体工作介质冷却(置换)通道，相邻二脊之间的间隔2-12、相邻二横臂之间的间隙2-13、SLAB放电预电离的接地面2-7、TEA主放电区8、气流通孔阵列1-3自下而上形成贯穿整个复合放电结构，并由于TEA主放电上电极1的阻挡形成气体介质冷却(置换)的三维流动具有技术化代的重要意义；三维流动有利于均化初始电子密度，提高主放电的均匀性；部分气体以最短路径穿越主放电区，能够强化放电气体介质的冷却及置换，有利于提高主放电的重复频率，从而提高输出激光的重频。

8、本发明提供的激光器中SLAB-TEA复合放电结构方便改变主放电间距D₀，易于兼容连续、脉冲二种工作方式；脉冲工作时，SLAB放电预电离实现低能量的一级激发，建立一定密度的初始电子，再采用传统的TEA技术完成高能量的二级激发，为次、主双放电再提供一次“初放电”，以“初、次、主”三放电形式，提高通常TEA放电的性能，输出更大能量的激光脉冲。

9、本发明提供的SLAB-TEA激光器的复合放电结构可方便地将上放电面和下放电面设置为光波导面，主放电间距D₀设置为1.5≤D₀＜6mm，就是一种新型的“SLAB激光器”，由于成倍增高了工作气压，连续输出的激光功率以气压的平方关系大幅提高，保持高光束质量的同时可提高几十至几百kw；在保持与传统SLAB激光器相同的激光功率密度前提下，工作点的光斑直径可增加至数mm，而其瑞利长度(焦深)则可增至几十至上千mm，可以将激光加工材料的厚度从约20mm提升到几十、几百甚至上千毫米，突破激光制造先进技术不宜加工厚材的制约瓶颈，大幅扩展激光加工的应用领域。

10、本发明提供的SLAB-TEA激光器的复合放电结构中，上放电面由气流通孔阵列分隔成并列的多个子放电面，下放电面设有间隙将各放电脊的上顶面也分隔为多个子放电面，整个TEA主放电区是放电的子空间增益区与不放电的窄条非增益区相间并列，增益区宽而非增益区窄，使激光增益在电极的横向具有周期分布的特性，有益于消除其它高阶模，萃取高功率优质激光束输出。

11、本发明提供的SLAB-TEA复合放电结构中，SLAB预电离采用单电源输入多通道同时放电均匀激励，TEA主放电采用单电源输入多个并列子电极同时放电均匀激励，因而可以将器件做成阵列型，多个复合放电结构串、并连接，实现按增益体积缩放提高器件的功率输出。

说明书附图

图1是SLAB-TEA激光器示意图；

图2是TEA主放电上电极示意图：

(a)为放电面示意图；(b)为端面示意图；

图3是TEA主放电下电极示意图；

(a)为端面示意图；(b)为放电脊侧面图；

图4是SLAB放电电极示意图

(a)为放电脊端面图；(b)为放电脊侧面示意图；

图5是TEA主放电间距支撑杆示意图；

图6是SLAB预电离放电间距支撑件示意图；

(a)支撑片正面图；(b)支撑片侧面示意图；

图7是SLAB-TEA复合放电结构示意图；

图8为SLAB放电电极局部放大示意图；

图9为实施例用SLAB-TEA复合放电结构示意图；

图10为复合放电结构串联示意图；

图11为SLAB放电块为“凸”字形局部示意图。

其中，1-TEA主放电上电极、2-TEA主放电下电极、3-SLAB放电电极、4-TEA主放电间距支撑杆、5-SLAB预电离放电间距支撑片、6-复合放电结构、7-SLAB放电预电离区、8-TEA主放电区、9-气体工作介质冷却通道、10-SLAB放电匹配电感组、11-光学谐振腔、12-气体扰动装置、1-1–TEA主放电的上放电面、1-2–上支撑台阶面、1-3–气流通孔阵列、1-4–辅助安装孔、1-5–连接外部循环的冷却水的水冷道、2-1–放电脊、2-2–下放电面、2-3–对接装配孔、2-4-连接外部循环的冷却水的水冷道、2-5–过度连接板、2-6–下支撑台阶面、2-7–SLAB放电预电离的接地面、2-8–凹台阶面、2-9–圆形支撑平台、2-10–辅助定位孔、2-11–安装孔、2-12–相邻二脊之间的间隔、2-13–相邻二横臂之间的间隙、3-1–SLAB放电块、3-2–凸脊、3-3冷却水道、3-4–对接安装辅助孔、3-5–电源连接接口、3-6–梯形凹槽、3-7–SLAB放电预电离的接激励电源面、3-8–台阶面、3-9–圆形支撑平台、3-10–辅助定位孔。

具体实施方式

为清楚详细的描述本说明的技术方案，结合附图和具体实施例表述板条放电预电离横向激励大气压激光器的结构特点，激励方式和气体工作冷却方式。

本发明提出一种板条(SLAB)放电预电离横向激励大气压(TEA)激光器，简称SLAB-TEA激光器，如图1所示，在真空腔内纵断面两端设有光学谐振腔，从上至下一次设置的纵剖面为凸台，镜像对称设置的TEA主放电上电极1和下电极2，以及气体扰动装置12；所述TEA主放电下电极2包括位于所述TEA主放电下电极2纵向的、竖直设于过渡连接板2-5同侧的端部TEA主放电电极、中段TEA主放电电极以及位于所述端部和中段TEA主放电电极间或两中段TEA主放电电极间的所述中段SLAB放电电极3；所述中段TEA主放电电极与所述端部TEA主放电电极间设有SLAB预电离放电间距支撑片5；所述TEA主放电上电极1和下电极2两端间设有TEA主放电间距支撑杆4。

如图2TEA主放电上电极示意图(b)放电面正面视图所示的TEA主放电上电极1，上电极1的形状为带有凸台的矩形体，长度L₁设为180mm≤L₁＜1000mm，厚度h₁设为10mm≤h₁＜30mm，所述上电极设有TEA主放电的上放电面1-1，左右端对称设置的上支撑台阶面1-2，竖直垂直贯通所述上放电面的气流通孔阵列1-3，位于上支撑台阶面1-2上的辅助安装孔1-4和连接外部循环冷却水的水冷道1-5。

其中，TEA主放电的上放电面1-1居中设置在上电极1的下底面，其宽度W₁设为100mm≤W₁＜800mm；气流通孔阵列1-3设置在上放电面1-1范围内，沿其长度方向即纵向成二排以上等间距设置，第二种优选方案是气流通孔阵列沿其宽度方向即横向等间距设置，将上放电面1-1分隔成多条并列的子放电面，气流通孔直径φ₁设为1mm＜φ₁＜6mm、孔中心间距d₁设为3mm≤d₁＜10mm、排与排之间间距d₂设为20mm≤d₂＜100mm。

在上电极1的两侧对称设置突变下沉的上支撑台阶面1-2，如图2TEA主放电上电极示意图中的图(a)所示，实线段a表示突变下沉的上支撑台阶面，其宽度W₂设为20mm≤W₂＜60mm；第二优选方案是上支撑台阶面1-2渐变下沉，如图2TEA主放电上电极示意图中的图(a)所示，虚线段a’表示突变下沉的上支撑台阶面，下沉深度h₁设为5mm≤h₁＜50mm。位于上支撑台阶面1-2靠外侧等间距对称设置辅助安装孔1-4；在上电极1端面中设有多条水冷道1-5与外部循坏冷却水道相连通，所述水冷道与TEA主放电上电极的上放电面中的气流通孔阵列平行设置，与子放电面的数量相同；设置上电极1的上顶面连接外部TEA主放电激励电源，使上放电面1-1连通主放电电源。

如图3的TEA主放电下电极示意图(a)下支撑台阶面突变下沉的电极端面示意图，所述TEA主放电下电极2，下电极2的形状为矩形体，由多条相等长度的放电脊2-1纵向并列组合构成，下电极的长度和上电极的长度相等；完整的下电极2至少包括横截面分别为“F”、“王”和“干”型的三条放电脊，其中中段“干”型可设置一条以上；TEA主放电下电极中设有TEA主放电的下放电面2-2、对接装配孔2-3、连接外部循环冷却水的水冷道2-4、过度连接板2-5、下支撑台阶面2-6。

其中，放电脊2-1的高度h₂相等设为26mm≤h₂＜140mm；“干”型脊的二条横臂，“F”型脊的一条横臂的长度n₁相等设为5mm≤n₁＜40mm，厚度h₃相等设为8mm≤h₃＜20mm；“干”型脊的上顶面宽度W₃设为30mm≤W₃＜200mm，“F”型的上顶面宽度设为W₃/3或W₃/2，各条脊的上顶面为子放电面，平行等高并列设置的子放电面构成TEA主放电的下放电面2-2；每条“F”型脊在长度方向无横臂端缩回长度W₅设为20mm≤W₅＜60mm，宽度h₅设为5mm≤h₅＜10mm，“F”和“干”型的第二横臂为设置于侧面的圆形支撑平台2-9，圆形支撑平台上设置有辅助定位孔2-10，从纵端面看，所述圆形支撑平台和TEA主放电电极左侧有一定距离。

如图3所示的TEA主放电下电极示意图中的图(b)放电脊侧面图，整条脊侧面呈由一横两束组成的“π”形状，一横的下方为一细凹槽，紧邻凹槽下方等距设置设有辅助定位孔2-10的圆形支撑平台2-9，对接装配孔2-3设置在两条竖线的轴线上，数目至少二个；两条竖线的下端面分别连接过度连接板2-5，一横的下端面留出空间，而过度连接板2-5连接公共地，使下放电面2-2连通公共地；

如图8所示的，为图3中(a)图的局部放大图，相邻二脊之间的间隔2-12间距值d₃相等设为10mm≤d₃＜50mm，相邻二横臂之间具有间隙2-13，其值d₄相等设为1mm＜d₄＜6mm，这里设定相邻二横臂之间的间隙d4等于TEA主放电上电极的上放电面的气流通孔的直径φ1，显然d4为下放电面2-2各子放电面之间的间距。

放电脊2-1脊横臂的侧端面通常设置为垂直面，“F”和“干”字形放电脊的第一横臂，即为在此垂直面上靠近下放电面2-2的一侧沿长度方向设有宽度W₄为2mm≤W₄＜5mm的窄条形TEA放电预电离的接地面2-7，第一横臂的单侧长度为h₄，其值设为1mm≤h₄＜3mm，第一横臂与第二横臂间形成凹台阶面2-8，第一横臂与第二横臂之间的距离为d₅设为2mm≤d₅＜5mm，设置与气流通孔直径相等的圆形支撑平台2-9的直径φ2设为6mm≤φ2＜10mm，即第二横臂的长度为φ2，圆形支撑平台中心处设有一定孔径和深度的辅助定位孔2-10，平台的数量与放电间隙数量相同，其中，SLAB放电预电离的接地面2-7与圆形支撑平台2-9的顶面平行等高处于同一平面。另一种优选方案为将放电脊2-1脊横臂的部分设置为倾斜一定角度的斜面，以相同的原理设置SLAB放电预电离的接地面2-1的宽度，凹槽2-8的宽度，圆形支撑台的直径2-9与辅助定位孔2-10。在二条“F”型脊横凸臂的另一侧，相对于顶面下沉的第二优选方案渐变下沉的深度h₅与TEA主放电上电极的渐变下沉深度h₁相等，对称设置于下电极2两侧的下支撑台阶面2-6的宽度W₅与上电极的上支撑台阶面的宽度W2相等，每个台阶面上靠外侧设有安装孔2-11。

第二优选方案中，下电极2由多条相等长度的放电脊2-1横向即沿宽度方向并列组合构成，第一优选方案中的长度L₂设为下电极2的宽度，每条放电脊的顶面为子放电面，多个子放电面横向并列构成下放电面2-2，同时上电极1的气流通孔阵列1-3对应地沿其横向排列设置。

如图4SLAB放电电极图(a)放电脊端面示意图所示，所述SLAB放电电极3由两条以上SLAB放电块3-1构成，每一块可单独连接一外部激励电源，也可多块连接同一激励电源；每块“王”字形SLAB放电块3-1的长度与TEA放电极的上电极和下电极的长度相等，底座宽度W₆设为10mm＜W₆＜25mm，高度h₆设为15mm＜h₆＜60mm，所述SLAB放电块上设有凸脊3-2、冷却水道3-3、对接安装辅助孔3-4、电源连接接口3-5；凸脊3-2高h₇设为10mm≤h₇＜30mm，宽W₇设为2mm≤W₇＜6mm，在其顶端沿长度方向设有梯形凹槽3-6，槽深h₈设为2mm≤h₈＜5mm，梯形腰宽W₈与凸脊3-2的宽度相等为2mm≤W₈＜6mm，横截面呈梯形上略宽下略窄；凸脊3-2包括第一横臂和第二横臂以及两横臂中间的凹槽，其中第一横臂的侧面设为SLAB放电预电离的接激励电源面3-7，第一横臂的宽度W₉比SLAB放电极下电极的接地面的宽度W₄短约1mm，第一横臂的单侧长度h₉与TEA放电极下电极“F”型电极第一横臂单侧长度h₄相等的台阶面3-8，再在此面上相距放电面3-7间隔d6＝d5距离，设有至少二个与2-9相同的直径φ3设为6mm≤φ3＜10mm的圆形支撑平台3-9，及相同的辅助定位孔3-10。所述SLAB放电预电离的接激励电源面3-7与平台3-9的顶面平行等高且处于同一平面。第二优选方案中，对应放电脊2-1脊横臂的一部分设置为倾斜一定角度的斜面既横臂的外端部分为斜面时，相应地凸脊3-2的二外侧端面也设置为反向倾斜一定角度的斜面，同理设置同样的顶面梯形凹槽、接激励电源面，下沉凹槽，圆形支撑平台和辅助定位孔。

上述所述的“王”字形SLAB放电块优选方案为顶端纵向设有梯形凹槽的“凸”字形突变下沉或双边渐变下沉或单侧渐变下沉放电块；或/和，所述SLAB放电电极为顶端设有梯形凹槽的单侧有相等两横臂的“凸”字形突变下沉或单侧渐变下沉放电块。若两TEA主放电电极之间距离较窄，则其SLAB放电块可为两端均无凹槽的垂直面。

如图5所示的TEA主放电间距支撑杆4，为两头细中段粗的绝缘材料圆柱型杆，两头带有螺纹，所述支撑杆的高度根据需要的TEA主放电间距设定。

如图6所示的SLAB预电离放电间距支撑片5，为绝缘材料的圆环型薄片，如图6中(a)图所示，厚度h₁₀设为0.1mm≤h₁₀＜1.5mm，外圆直径d₈大于圆形支撑平台2-9和3-9的直径约0.5mm，内孔直径d₉与辅助定位孔2-10和3-10的直径相同，厚度h₁₀与TEA主放电极的接地面与SLAB放电块接激励面之间的间隙相等。

如图7所示的SLAB-TEA复合放电结构6，由TEA主放电上电极1、TEA主放电下电极2、TEA主放电间距支撑杆4、SLAB预电离放电间距支撑片5、SLAB放电电极3、板条放电通道构成的SLAB放电预电离区、子放电区空间耦合构成的TEA主放电区8、气体工作介质冷却通道9和SLAB放电匹配电感组10。

复合放电结构中以D₀为主放电间距的TEA主放电区8由上电极1与下电极2用至少4根支撑件杆4连接支撑构成，支撑杆4设置在上支撑台阶面1-2上的安装孔1-4与下支撑台阶面2-6上的安装孔2-11之间，用支撑杆带有螺纹的两端紧固成为一体，上放电面1-1与下放电面2-2平行；根据TEA主放电间距设定4的高度，确定主放电的放电间距D₀，该放电间距可根据不同的输出激光方式确定：当连续输出激光时设置1.5≤D₀＜6mm；当脉冲输出激光时设置6mm≤D₀＜500mm；由于上放电面1-1和下放电面2-2的特殊结构，具体来讲，TEA主放电区8是由上放电面1-1、下放电面2-2中多个子放电面并列构成的长条形子放电区以空间耦合形式所构成，上下平行相对的子放电面构成多个子放电区，称为增益放大区；而气流通孔阵列1-3与二横臂之间的间隙2-13中心对齐，破坏了放电条件，一方面它们之间形成的多个宽度为d₄的空间为不放电的非增益区，从放电角度看主放电区8横向增益放大区和非增益区交织，形成周期分布。另一方面又形成自下电极2的下方穿过相邻二脊之间的间隙2-12、相邻二横臂之间的间隙2-13和以d₀为间距的板条放电通道，以最短距离垂直贯通主放电区8，再经气流通孔阵列1-3流出上电极1，形成自下而上穿越整个复合放电结构的气体工作介质冷却通道。

如图8所示，SLAB放电电极3包含在下电极2之中，“王”字形SLAB放电块3-1插在“F”和“干”字形或两“干”字形放电极2-1之间的间隔2-12中，使得凸脊3-2安插在二横臂之间隔的间隙2-13之中，形成对称的SLAB预电离的放电空间。在放电脊2-1横臂的侧端面、凸脊3-2的两横臂侧端面均设为垂直面的情况时，设置SLAB放电的接电源面3-7比SLAB放电的接地放电面2-7略低1mm，躲藏在TEA主放电的下放电面2-2之下，最大限度地避免主放电对预电离放电的影响。

SLAB放电预电离的接地面端的圆形支撑平台2-9、辅助定位孔2-10分别与SLAB放电预电离的接激励电源面端的圆形支撑平台3-9、辅助定位孔3-10对齐，由定位栓将SLAB预电离放电间距支撑片5定位在两圆形支撑台之间，SLAB预电离的放电间距d₀就完全由SLAB预电离放电间距支撑片5的厚度h₁₀确定，既d₀＝h_10，h₁₀取值为0.1mm≤h₁₀＜1.5mm。并列的多条SLAB放电通道构成线阵型的SLAB放电预电离区7，每一条SLAB放电通道均具有一致性很好的电特性；采用多根紧固螺杆穿过对接装配孔2-3和对接安装辅助孔3-4将上述各部件紧固连接为一整体，构成复合放电结构6的预电离放电区域。显然此结构中，放电脊2-1横臂的端面以及相对应的凸脊3-2的两横臂侧端面设置为垂直面时，SLAB预电离的放电通道呈垂直朝向主放电区8，而将其设置为倾斜一定角度的斜面时，朝向也相应地倾斜一定角度，预电离放电通道对主放电区的朝向在0°-90°范围可根据需要设置。

每条凸脊3-2的第一横臂与第二横臂之间的凹槽位置对应的放电极主体上设置有匹配电感连接孔，每个放电电极两端分别连接一个匹配电感，电感的另一端就近连接在放电脊2-1的脊体上(可卡接、焊接、螺母压接等)，设置每条SLAB放电通道具有相同的LC(电感电容)并联谐振电参量，多个电感组合构成SLAB放电匹配电感组10，使线阵型的SLAB预电离放电结构整体对外呈现阻抗Z₀、固有振荡频率f₀二个静态电参量。

如图1所示的光学谐振腔11，二片腔镜分别设置在SLAB-TEA复合放电结构6长度方向的二端，可设置为正、负支非稳定腔，或者平、凹非稳定腔。

如图1所示的气体扰动装置12，是设置在SLAB-TEA复合放电结构6下方的长条型气体扰动叶轮，采用真空隔离型磁力耦合电驱动，转动时强迫气流自间隔2-12和间隙2-13将SLAB放电预电离区7产生的带电粒子以0°-90°范围内的某一特定角度吹送至TEA主放电区8，并以最短距离穿越TEA主放电区8区域后经上放电面1-1的阻挡碰撞，其中一部分沿上放电面1-1形成二维流动，从复合放电结构的二侧(包括二端)流出，另一部分则经气流通孔阵列1-3的导通作用以一维流动方式穿流上电极1从整个复合放电结构的上方流出，构成完整的气体工作介质冷却通道9，实现三维流动形式的气体冷却(置换)，有利于将带电粒子吹送至主放电区8的中心区域。

本发明提出SLAB-TEA激光器其工作过程是：SLAB-TEA复合放电结构6首先进行持续的电离度精确可控的SLAB放电预电离，将预电离度控制在合适状态，使SLAB放电预电离区7产生大量的带电粒子；气流扰动装置产生气流，通过间隔2-12、间隙2-13将预电离产生的带电粒子集中吹向主放电区8的中心区域，气流以最短距离穿预电离区8后经上放电面1-1的阻挡形成三维流动，混合带电粒子的新鲜气体介质弥漫扩散充满整个主放电区，为即将发生的TEA主放电创建足够的初始电子密度“热态”；TEA主放电发生后，参与放电的气体介质最终从气体工作介质冷却通道9以三维流动方式完成冷却(置换)，流出复合放电结构。本发明提供的激光器在大体积高气压条件下保证主放电的可靠性均匀性，实现高激光增益的主放电电离。

气体放电的帕邢原理中，平行板条电极气体放电中相等的气压间距积pd的击穿电压值Vs相同，既间距d值减小与气压p增大的倍数相等保持pd积不变时，同样的击穿电压Vs可电离高压力的气体。本实施例中SLAB预电离的放电间距取d₀＝为0.5mm，则可比2mm间距高出4倍的气压实现稳定均匀的放电。

根据高气压均匀辉光放电的物理过程可知，只要有充足的初始电子密度，在过压放电下均匀的一次雪崩可以形成均匀放电的等离子体，这个雪崩时间约为0.1μs，远低于向不稳定过程的发展时间。因此，只要能够提供足够高的初始电子密度，TEA激光器就可以在宽间距大体积高气压的条件下实现高激光增益的气体放电。

实施例1

如图9所述的SLAB-TEA激光器的TEA主放电下电极的示意图，“F”型放电极为镜像对称设置，其包含第一横臂与第二横臂的凸脊倾斜一定角度。“干”字形电极含有两横臂的凸脊3-2为垂直地面的突变下沉型脊，而SLAB放电块与“F”型TEA电极对应设置的一面为与“F”字形电极的凸脊倾斜面对应反向倾斜凸脊，与“干”字形电极对应设置的一面为垂直地面的平面，无凸脊设置，在“干”字形放电电极第二横臂设置有辅助安装孔2-10的圆柱形支撑平台2-9固定圆形支撑片，保证“干”字形TEA主放电电极与SLAB放电块的放电间距。

如图11所示，SLAB放电块的横端面图为“凸”字形，或单侧为倾斜面或双侧为倾斜面，其顶端为梯形凹槽；

或SLAB放电块的横端面为单侧带有两相等横臂的“凸”字形，且其或单侧面为倾斜面或其双侧面为倾斜面，其顶端为梯形凹槽。

实施例2

一种脉冲输出SLAB-TEA激光器，长度L1取360mm，厚度为h1＝15mm的TEA主放电上电极1中，设置3排气流通孔阵列1-3，气流通孔的直径为φ1＝5mm，孔中心间距为d1＝8mm，排与排之间的间距d2＝40mm，所述3排气流通孔阵列将宽度为W1＝165mm的上放电面分为4个子放电面，在渐变下沉的上支撑台阶面上设置有4个辅助安装孔1-4，对应于4个放电面设置4条连接外部循环冷却水的水冷道1-5。

长度为L2＝360mm设置“F”和“干”型放电脊，每条放电脊设一个连接外部循环冷却水的水冷道2-4，在下放电脊宽度为W5＝20mm的下支撑台阶面2-6设置四个对接装配孔2-3，下支撑台阶面2-6渐变下沉，“干”型放电脊的上顶面宽度W3＝50mm，“F”型放电脊的横臂长度n1＝15mm，厚度为h3＝15mm,沿长度方向两头缩回宽度h5＝15mm，第一横臂即SLAB放电预电离的接地面2-7的宽度为W4＝5mm，第一横臂的单侧长度为h4＝2mm，第一横臂与第二横臂中间的凹台阶面的高度d5为2mm，在凹台阶面的下方设置直径为φ2＝8mm的圆形支撑平台2-9；由此设置的下放电面，相邻二脊之间的间隔2-12间距值d3＝35mm，相邻二横臂之间的间距2-13间距值为d4＝5mm，与气流通孔的直径相等。

SLAB放电电极3设有3块长度L3＝360mm，宽度w6＝30mm的SLAB放电块，每块设置一个对接安装辅助孔3-4，设有2个电源连接接口，放电脊的凸脊宽W7＝4mm，其顶端沿长度方向设有梯形凹槽3-6，梯形腰宽W8＝1.5mm，凸脊两外侧面的SLAB放电预电离的接激励电源面3-7的宽度为W9＝4mm,所述SLAB放电块的圆形支撑片的位置与放电脊中圆形支撑片的位置相同。

SLAB-TEA的复合结构中，所述SLAB预电离放电间距支撑片的厚度h10＝0.5mm，SLAB预电离的放电间距是d0＝0.5mm，主放电间距D0设置为10mm。

由此得知，本实施例中主放电区域体积是5.94升，设置电压V＝32Kv，电压P＝75kpa,得到峰值功率3Mw的激光脉冲输出、脉冲重复频率1kHz。

实施例3

一种连续输出SLAB-TEA激光器，长度L1取360mm，厚度为h1＝15mm的TEA主放电上电极1中，设置3排气流通孔阵列1-3，气流通孔的直径为φ1＝5mm，孔中心间距为d1＝8mm，排与排之间的间距d2＝40mm，所述3排气流通孔阵列将宽度为W1＝165mm的上放电面分为4个子放电面，在渐变下沉的上支撑台阶面上设置有4个辅助安装孔1-4，对应于4个放电面设置4条连接外部循环冷却水的水冷道1-5。

长度为L2＝360mm设置“F”和“干”型放电脊，每条放电脊设一个连接外部循环冷却水的水冷道2-4，在下放电脊宽度为W5＝20mm的下支撑台阶面2-6设置四个对接装配孔2-3，下支撑台阶面2-6渐变下沉，“干”型放电脊的上顶面宽度W3＝50mm，“F”型放电脊的横臂长度n1＝15mm，厚度为h3＝15mm,沿长度方向两头缩回宽度h5＝15mm，靠近下放电面的一侧沿长度方向设有宽度为W4＝5mm的SLAB放电预电离的接地面2-7，所述接地面下方下沉一定深度h4＝2mm，形成凹台阶面，凹台阶面的高度d5为2mm，在凹台阶面的下方设置直径为φ2＝8mm的圆形支撑平台2-9；由此设置的下放电面，相邻二脊之间的间隔2-12间距值d3＝35mm，相邻二横臂之间的间距2-13间距值为d4＝5mm，与气流通孔的直径相等。

SLAB-TEA的复合结构中，所述SLAB预电离放电间距支撑片的厚度h10＝0.5mm，SLAB预电离的放电间距是d0＝0.5mm，主放电间距D0设置为2mm。

由此得知，本实施例中主放电区域体积是5.94升，采用30kw、81.36MHz射频激励，设置大气压p＝40kpa时，得到平均功率3kw的连续激光输出。

实施例4

如图10所示，本实施例中两个SLAB-TEA复合放电结构6串联，串行联接的间距设为2mm，形成三段式复合放电结构，总激光增益长度108mm、光学谐振腔长156mm，设置v＝35kv、p＝100kpa时，能够实现可靠的TEA主放电。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可以对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种板条放电预电离横向激励大气压激光器，其特征在于，所述激光器包括：在真空腔内纵断面两端设有光学谐振腔，从上至下一次设置的纵剖面为凸台，镜像对称设置的TEA主放电上下电极(1)和(2)，以及气体扰动装置(12)；所述TEA主放电下电极(2)包括位于所述TEA主放电下电极(2)纵向的、竖直设于过渡连接板(2-5)同侧的端部TEA主放电电极、中段TEA主放电电极以及位于所述端部和中段TEA主放电电极间或两中段TEA主放电电极间的所述中段SLAB放电电极(3)；所述中段TEA主放电电极与所述端部TEA主放电电极间设有SLAB预电离放电间距支撑片(5)；所述TEA主放电上下电极(1)和(2)两端间设有TEA主放电间距支撑杆(4)。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述TEA主放电上电极(1)包括支撑面和TEA主放电上放电面(1-1)；所述TEA主放电上放电面包括由竖直垂直贯通所述上放电面(1-1)的气流通孔阵列(1-3)分隔成的子放电面。

3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述端部TEA主放电电极横截面为镜像对称设置分别由两个两横臂长度一一对应相等且竖直方向高相等的“F”字形；所述中段TEA主放电电极横截面为长宽相等的两横臂，其纵面从上至下作为SLAB放电预电离的接地面(2-7)的第一横臂下的第二横臂设有辅助定位孔(2-10)的凸台(2-9)；所述SLAB放电电极(3)的横截面为“王”字形，纵截面竖直方向较短、横向较长的“T”字形；所述“F”、“王”和“干”字形从上往下数第二个横臂的各两臂间分别设置横断面为矩形纵断面为圆形的支撑片(5)。

4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述“F”形和所述“干”字形两者的高度相等，两者的两横臂均分别设置于同一水平面上、宽相等且其各自的端部在同一竖直线上；所述“王”字形的从上往下数的第一横臂与所述“F”、“干”字形的同一方向的第一横臂的下表面在同一水平面上，而该横臂的高度小于所述“F”和“干”的第一横臂的高度，其第三横臂下底面连接预电离激励电源。

5.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述“王”字形SLAB放电块的顶端纵向设有梯形凹槽；于所述SLAB“王”字形的放电块的从上往下顺序的第三横臂内侧，与轴线平行处设有与所述凹槽平行的冷却水道(3-3)；所述SLAB放电块纵断面为横竖两部分组成的“T”字形，所述横部分的下侧设有以所述竖部分为轴线对称设置的有辅助定位孔(3-10)的圆形支撑平台(3-9)；所述竖部分轴线上设有对接安装辅助孔(3-4)；所述竖直部的底端设有与所述轴线平行的两个电源连接接口(3-5)。

6.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述“F”和“干”字形TEA放电极由上往下第二横臂内侧纵向设有冷却水道(2-4)；在纵面从上至下的凸台下方的放电脊轴线上分别设有对接装配孔(2-3)；底部与过渡连接板(2-5)连接。

7.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，“F”和“干”字形TEA放电脊由上到下的第一横臂横截面为梯形；其“王”字形SLAB放电块由上到下的第一横臂和第二横臂横截面为梯形。

8.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述SLAB放电电极纵端面为垂直或倾斜的设置或不设置凸台(3-9)的横端面的顶部设有凹槽的平面。

9.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述TEA主放电间距支撑杆(4)中间为粗圆柱体，两端为带有螺纹的细圆柱体。

10.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，由TEA主放电电极与SLAB放电电极构成的相邻二放电脊之间的间隔(2-12)、相邻二横臂之间的间隙(2-13)、SLAB放电预电离的接地面(2-7)、TEA主放电区(8)、气流通孔阵列(1-3)自下而上形成贯穿整个复合放电结构的气体介质冷却通道(9)，并由于TEA主放电上电极(1)的阻挡形成气体介质的三维流动。