CN107017544B - 一种放电激励气体激光器及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了放电激励气体激光器及其运行方法，放电激励气体激光器包括激光器主体、放电泵浦源、谐振腔、光窗、气源和腔内压力维持单元；光窗由光窗清洁器和窗口构成；光窗清洁器基于气体紊流消能原理，包括消能箱、金属气管和气体流量控制器。放电激励气体激光器运行时，气源持续给光窗清洁器供给一定流量的激光工作气体，在激光器光窗内部形成紊流，消弱放电微粒飞向窗口的动能，使放电微粒不能到达并附着在窗口玻璃内表面，从而保护放电激励气体激光器光窗不受污染。输入的气体通过腔内压力维持单元排除激光器腔室，同时保持激光器腔室内部气体压力不变。

Description

一种放电激励气体激光器及其运行方法
技术领域
本发明涉及放电激励气体激光技术领域，尤其是涉及放电激励气体激光器及其运行方法。
背景技术
放电激励气体激光器通过高压放电激励气体介质形成激光输出，波长覆盖范围广，是一种重要的相干辐射光源，被广泛运用于科研和工业生产领域。这类激光器的工作电压高达几万伏，放电过程中因电极等材料烧蚀会产生大量微粒，这些微粒在放电冲击波作用下向四周喷溅，部分微粒会到达激光窗口并附着在窗口玻璃表面，严重污染窗口玻璃，减小其激光透过率，致使激光器输出能量不断降低，且导致激光窗口的寿命明显缩短。
发明内容
为了解决放电激励气体激光器窗口玻璃污染问题，本发明提供一种放电激励气体激光器。
本发明的技术解决方案是提供一种放电激励气体激光器，包括激光器主体1与气源7，其特殊之处在于：还包括光窗2及设置在激光器主体1上的激光腔内压力维持单元4；
上述光窗2包括窗口玻璃14及光窗清洁器；上述光窗清洁器包括一端倾斜的筒体11，上述窗口玻璃14密封固定在筒体倾斜端，上述筒体11的另一端与激光器主体1的激光出射端密封固定；上述筒体内部径向设置有多个消能片12；筒体11上开设辅助气流接口15，气源7通过金属气管9与辅助气流接口15连通。
优选地，为了调节气体流量，上述激光器还包括连接在金属气管9中的气体流量控制器6，上述气体流量控制器6用于调节气体流速。
优选地，上述消能片12为中心带孔的圆片，还包括一个尾柄121，尾柄121上设有小孔，通过尾柄121将消能片固定在光窗清洁器的筒体11上。
优选地，激光器主体1采用不锈钢金属框架，一面安装有尼龙板，激光器的放电泵浦源5安装在尼龙板上。其中放电泵浦源5包括充电电源、储能单元和放电控制单元。
优选地，上述腔内压力维持单元4包括可调节气体阀门、压力传感器、真空泵和控制单元，上述真空泵用于给激光器腔室抽气；上述控制单元用于通过压力传感器的反馈控制调节气体阀门，稳定激光器腔室气压。
优选地，窗口玻璃14通过法兰密封安装在筒体倾斜端；筒体11的另一端通过法兰密封安装在激光器主体1上。
优选地，辅助气流接口15位于靠近窗口玻璃14的一端；上述气源为不锈钢压力容器，充有激光器工作气体。
优选地，光窗清洁器的筒体11为不锈钢圆筒，消能片12为不锈钢圆片；辅助气流接口15采用标准D12型卡套气管接口形式，通径为12mm，选用不锈钢材料。
优选地，激光器的谐振腔3由一对直径50mm的光学镜片组成，前镜对输出波长部分透过，后镜对输出波长全反射，用于形成腔内激光振荡。
本发明还提供一种上述的放电激励气体激光器运行方法，包括以下步骤：
第一，调整激光器的谐振腔；
第二，腔内压力维持单元给激光器腔室抽真空；
第三，启动放电泵浦源；
第四，气源通过气体流量控制器以一定的气体流速给激光器腔室内部充入工作气体，并通过腔内压力维持单元控制激光器腔内气压处于要求值；
第五，控制放电泵浦源使激光器放电，激光沿图1中箭头所示方向输出；
第六，放电过程中，气源持续给激光器供给工作气体，在激光器光窗内部形成紊流；
第七，关闭放电激励气体激光器。
激光器主体和光窗构成了激光腔室，腔内压力维持单元控制激光腔室的气压或抽真空，气源给激光腔室充入工作气体，放电泵浦源通过放电激励工作气体，在谐振腔作用下形成激光输出。激光器运行过程中，气源通过流量控制器给光窗持续供给小流量气体，作为光窗的辅助气流，在激光器光窗内形成紊流，减弱放电形成微粒向光窗的动能，使这些微粒不能到达激光器窗口玻璃内表面，实时清洁窗口玻璃，防止窗口玻璃被污染。
本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明采用光窗清洁器利用气体紊流消能原理，减小了放电形成的微粒飞向窗口的动能，使放电微粒不能到达窗口玻璃内表面，放电激励气体激光器运行过程中实时保护窗口玻璃不受污染，有利于激光能量输出稳定性。
2、本发明采用光窗清洁器，在不开腔的情况实现了放电激励气体激光器窗口玻璃的清洁，不破坏放电激励气体激光器的运行环境。
3、本发明中光窗清洁器的辅助气流为激光工作气体，不改变激光器工作气体的组分。
4、本发明采用腔内压力维持单元，保证激光器运行过程中激光器腔内工作气体压力不因光窗清洁器引入辅助气流而改变。
5、本发明中光窗清洁器中辅助气体流速通过气体流量控制器可控，可使放电激励气体激光器适用于多种放电电压条件。
6、本发明中激光器通过腔内压力控制单元中的控制单元及气体流量控制器对腔内压力和气体流速实现自动控制，激光器操作方便。
附图说明
图1是放电激励气体激光器结构示意图；
图2是激光器光窗结构示意图；
附图标记为：1-激光器主体；2-光窗；3-谐振腔；4-腔内压力维持单元；5-放电泵浦源；6-气体流量控制器，7-气源，8a、8b、8c-可调气体截止阀门，9-金属气管；
11-筒体；12-消能片，121-尾柄，13-窗口固定法兰，14-窗口玻璃，15-辅助气流接口，16-端面法兰，17-凹槽。
具体实施方式
如图1所述，在放电激励气体激光器中，激光器主体1采用不锈钢金属框架，尺寸为700mm×180mm×80mm，一侧侧面安装有尼龙板，作为激光器高电压连接端。两个光窗2分别安装在激光器两端，与激光器主体共同构成激光腔室。放电泵浦源5连接到尼龙板上，用于给激光器提供高电压，包括高压电源、储能单元和放电控制单元。气源7为不锈钢气体压力容器，体积40L，最大压力15MPa，充有激光器工作气体，激光器气体供给与光窗清洁器共用一个气路，通过气体流量控制器6调节工作气体流速。腔内压力维持单元4用于维持激光器腔室气体压强和抽真空，包括可调节气体阀门8c、压力传感器16、真空泵和压力控制单元，激光器运行时，利用真空泵给激光器腔室抽气，压力控制单元通过压力传感器反馈控制可调节气体阀门8c，实现激光器腔室气压稳定。谐振腔3由一对直径50mm的光学镜片组成，前镜对输出波长部分透过，后镜对输出波长全反射，用于形成腔内激光振荡，形成激光输出。
如图2所述，放电激励气体激光器光窗包括光窗清洁器和窗口两个部分，其主要作用是与激光器主体构成密闭激光腔室，并使激光在谐振腔内高效传输出。窗口由窗口玻璃14及窗口固定法兰13组成，法兰为不锈钢，外径80mm，中心通孔直径50mm，四个直径5mm的安装孔均布在法兰上；窗口玻璃14通过窗口固定法兰13安装在光窗的倾斜端，玻璃直径60mm，窗口安装倾斜角度为7度。
光窗清洁器基于气体紊流消能原理，包括筒体11和三个消能片12，通过金属气管9、气体截止阀门8a、8b、气体流量控制器6与气源7连通。筒体11用于放置消能片12，采用不锈钢圆筒结构，其外径为80mm，内径为50mm，长50mm，两侧端面各有一个端面法兰16，每个端面法兰16上分布有密封槽和多个安装孔，筒体11通过两端的端面法兰16与激光器主体及窗口密封连接。辅助气流接口15位于激光窗口处，用于连接金属气管9，引入辅助气流，在激光器光窗2内部形成紊流，实时清洁光窗。为了连接方便，且具有良好的气密性，辅助气流接口15采用标准D12型卡套气管接口形式，通径为12mm，选用不锈钢材料。金属气管9为外径12mm的不锈钢气管。
消能片组12主要有两个作用：一是扰动气体流动，有利于气体在金属腔体内形成紊流，二是与筒体11共同构成用于沉积微粒的凹槽17。三个消能片均为中心带孔的不锈钢圆片，其外径为50mm，内径为30mm，厚度为2mm，每个消能片有一个尾柄121，尾柄上有一个直径4mm的孔，通过尾柄将消能片固定在不锈钢金属外壳上。
放电激励气体激光器运行时，首先进行激光器谐振腔准备工作，放电泵浦源准备工作。
第一，激光器谐振腔准备就绪；
第二，腔内压力维持单元给激光器腔室抽真空；
第三，放电泵浦源准备就绪；
第四，气源通过气体流量控制器以一定的气体流速给激光器腔室内部充入工作气体，并通过腔内压力维持单元控制激光器腔内气压处于要求值；
第五，控制放电泵浦源使激光器放电，激光沿图1中箭头所示方向输出；
第六，放电过程中，气源持续给激光器供给工作气体，在激光器光窗内部形成紊流，消弱放电微粒飞向窗口的动能，使放电微粒不能到达并附着在窗口玻璃内表面，实时清洁激光器光窗，从而保护放电激励气体激光器光窗不受污染。
第七，关闭放电激励气体激光器。
本发明不局限于上述具体实施方式，比如激光器谐振腔镜直径不限于50mm；激光器气源不限于40L；激光器光窗不限于圆筒形，窗口玻璃直径不限于60mm，光窗清洁器的金属外壳的材料不限于不锈钢；消能片组中消能片的个数不限于3个，消能片的形状不限于空心圆片，消能片的材料不限于不锈钢；辅助气流接口不限于标准D12型卡套气管接口形式，通径不限于12mm；金属气管不限于外径12mm。

Claims (7)

1.一种放电激励气体激光器，包括激光器主体(1)与气源(7)，其特征在于：还包括光窗(2)及设置在激光器主体(1)上的激光腔内压力维持单元(4)；
所述光窗(2)包括窗口玻璃(14)及光窗清洁器；所述光窗清洁器包括一端倾斜的筒体(11)，所述窗口玻璃(14)密封固定在筒体倾斜端，所述筒体(11)的另一端与激光器主体(1)的激光出射端密封固定；所述筒体内部径向设置有多个消能片(12)；筒体(11)上开设辅助气流接口(15)，气源(7)通过金属气管(9)与辅助气流接口(15)连通；
所述腔内压力维持单元(4)包括可调节气体阀门、压力传感器、真空泵和控制单元，所述真空泵用于给激光器腔室抽气；所述控制单元用于通过压力传感器的反馈控制调节气体阀门，稳定激光器腔室气压；还包括连接在金属气管(9)中的气体流量控制器(6)，所述气体流量控制器(6)用于调节气体流速；
所述消能片(12)为中心带孔的圆片，还包括一个尾柄(121)，通过尾柄(121)将消能片固定在光窗清洁器的筒体(11)上。
2.根据权利要求1所述的放电激励气体激光器，其特征在于：窗口玻璃(14)通过法兰密封安装在筒体倾斜端；筒体(11)的另一端通过法兰密封安装在激光器主体(1)上。
3.根据权利要求2所述的放电激励气体激光器，其特征在于：辅助气流接口(15)位于靠近窗口玻璃(14)的一端；所述气源为不锈钢压力容器，充有激光器工作气体。
4.根据权利要求3所述的放电激励气体激光器，其特征在于：光窗清洁器的筒体(11)为不锈钢圆筒，消能片(12)为不锈钢圆片；辅助气流接口(15)采用标准D12型卡套气管接口形式，通径为12mm，选用不锈钢材料。
5.根据权利要求4所述的放电激励气体激光器，其特征在于：激光器主体(1)采用不锈钢金属框架，一面安装有尼龙板，激光器的放电泵浦源(5)安装在尼龙板上。
6.根据权利要求5所述的放电激励气体激光器，其特征在于：激光器的谐振腔(3)由一对直径50mm的光学镜片组成，前镜对输出波长部分透过，后镜对输出波长全反射，用于形成腔内激光振荡。
7.一种权利要求1至6任一所述的放电激励气体激光器运行方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一，调整激光器的谐振腔；
第二，腔内压力维持单元给激光器腔室抽真空；
第三，启动放电泵浦源；
第四，气源通过气体流量控制器以一定的气体流速给激光器腔室内部充入工作气体，并通过腔内压力维持单元控制激光器腔内气压处于要求值；
第五，控制放电泵浦源使激光器放电；
第六，放电过程中，气源持续给激光器供给工作气体，在激光器光窗内部形成紊流；
第七，关闭放电激励气体激光器。
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