CN1075905C - 气动冷却电激励气体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光技术。特别适用于产生高功率、高光束质量输出的，下游混合(或预混合)、气动冷却电激励气体激光器。该激光器主要由贮气室、阴极列阵喷管、放电室，阳极列阵喷管，混合激励室，谐振腔及激光电源组成。最大优点是在不使用昂贵工质He气及激光风机和热交换器条件下，在紧凑的激光头体积内获得高功率、高光束质量激光输出。
Description
本发明属于气体激光器技术领域，具体涉及一种气动冷却电激励气体激光器。
随着激光深穿透焊接、切割和大面积激光表面强化等激光加工应用的发展，对高功率、高光束质量激光器的需求日益迫切，而制约高功率、高光束质量激光器发展的主要技术障碍，是如何获得大体积、稳定均匀辉光放电和增益煤质空间分布均匀性。近年来，气体激光器在激励电源，电极结构两方面取得了很大进展，但激光介质的冷却方式仍局限在扩散冷却和对流冷却两种。扩散冷却激光器由于受放电间距的限制(一般仅为几毫米)，放电总体积较小，输出激光功率目前仅为千瓦级。对流冷却激光器的最大优点是可以获得大体积、稳定均匀的辉光放电和良好的激光介质冷却效果，激光输出功率可高达数万瓦，但激光器内部必要安装风机和热交换器，导致激光器结构复杂，体积庞大，且谐振腔内激活煤质的空间均匀性较差。特别是由于风机流量和热交换器换热能力的限制，这类激光器输出激光功率进一步提高尚存在不少技术困难。为了避开风机和热交换器的限制，日本防卫厅第一研究中心的H.Hara和A.Jujisawa早在1980年就提出了下游混合、超音速喷管绝热膨胀冷却的CO2激光器结构，《物理杂志》(H.Hara and A.Jujisawa,《Journal dephyslque》,collogue cq,Nov.1980,P.C9.203-209)，获得了11m-1的极高小信号增益，但该实验装置采用双园筒放电电极，注入放电功率较低。
1984年，法国Laserdot公司采用下游混合、超音速喷管冷却技术，研制成功了40KW电激励CO2激光器，光束远场发散角仅为1.7倍衍射极限《激光报告》(Laser raport July,l,1993,P5)，但该激光器结构未作公开报导。1993年，德国DLR技术物理所的H.V.Blow和E.Zeytan采用射频激励，超音速喷管冷却技术，在不使用液氮冷却的条件下，获得了1千瓦CO激光输出《科学仪器评论》(H.V.BulowBlow and E.Zeytang,《REV.Sci.Instrum》,Vol.64,No.7,1993,P1764-1769)。俄罗斯LOK公司采用电子束预电离和超音速喷管冷却技术，研制成功了200KW CO激光器，连续工作时间可达8小时《激光报告》(Laser report,circle,No14-16,1993)。显示了下游混合、气动冷却技术在气体激光器中良好的应用前景。遗憾的是，所有这些激光器的激光工作物质大部分是昂贵的He气，因而运行成本较高。
本发明的目的是提供一种在不使用昂贵工作物质He气及风机和热交换器条件下，以提高工业用CO2激光器注入电功率密度和电光转换效率，减小激光头体积和重量，提高激光输出功率和改善光束质量为目的的能实现大体积均匀辉光放电和下游混合(或预混合)超音速喷管冷却的气体激光装置。应用本发明装置，还可在不使用液氮的条件下，获得高功率、高光束CO激光输出。
本发明通过以下技术措施实施，本发明装置由由贮气室、放电室和混合激励室三大组件构成。列阵喷管阴极将贮气室和放电室分隔为相互独立的两个空间；列阵喷管阳极将放电室和混合激励室分隔为独立的两个空间；贮气室是由阴极针固定板、放电室上盖板，列阵喷管阴极构成的一个腔体，其阴极针固定板由耐高温的绝缘材料制作，在阴极针固定板开有均匀排列的多个小孔，阴极针穿过小孔并与固定板粘接成一体，该组件通过绝缘胶与放电室上盖板连成一体，放电室上盖板沿纵向开有多个氮气进气孔，上盖板还开有与贮气室相通的第一测压孔和与放电室相通的第二测压孔，并通过第一坚固螺钉与左侧墙板和右侧墙板连为一体；所述列阵喷管阴极由耐高温的绝缘材料制作，阴极列阵喷管由位于列阵喷管阴极上的多个对称排列的园锥或园柱小孔组成，园锥或园柱小孔分布与阴极针分布一一对应，阴极针穿过园锥或园柱小孔的轴心；列阵喷管阴极通过第三紧固螺钉与放电室上盖板连为一体，贮气室与放电室之间装有起密封作用的第一O形圈；所述放电室是由上盖板、左侧墙板、右侧墙板和列阵喷管阳极构成的一个腔体，其左、右侧墙板由抗水浸蚀的绝缘材料制作，左、右侧墙板上开有冷却水槽和进、出水小孔，在靠近放电室一侧粘贴有耐高温的绝缘薄板，左、右侧墙板上、下端面开有上密封槽和下密封槽，并通过第二紧固螺钉与上盖板和列阵喷管阳极连为一体；放电室两端安装有左、右观察窗；列阵喷管阳极由无氧铜或紫铜制作，其上开有两组相互独立的列阵园锥或园柱小孔，一组列阵园锥或园柱小孔形成主喷管，它与放电室和混合激励室相通，另一组列阵园锥或园柱小孔形成下游混合喷管，它与CO2进气管和混合激励室相通，所述主喷管和下游混合喷管沿光轴方向均匀分布，其喷管喉道直径和数目分别由放电室气体压力、CO2管进气压力以及N2气和CO2的混合比和质量流量决定，列阵喷管阳极开有多排冷却水小孔；混合激励室由上端开口的混合管和列阵喷管阳极构成，混合管的开口面焊有连接法兰，外径由水套包围，水套与连接法兰焊为一体，其上开有进、出水孔，在混合管两端焊有抽气室，抽气室由端盖和抽气管构成，端盖分别与法兰、混合管焊为一体，端盖与激光谐振腔联接，混合激励室组件通过第二紧固螺钉与列阵喷管阳极和放电室组件相连，混合激励室与放电室之间由第二O形圈加以密封。
与现有技术相比较，本发明最突出的优点在于：
1．采用了阴极列阵喷管绝热膨胀技术对放电区工作气体进行预冷却，有利于降低放电室工作气体温度。且由于每根阴极针置于阴极列阵喷管的轴心，不仅阴极针本身获得良好冷却效果，而且确保了每根针的放电方向与阴极列阵喷管的气体流动方向一致(现有横向针板放电技术的阴极放电方向与气流方向正交)，针与针之间的放电特性相互独立，互不干扰(现有横向针板放电技术的上游阴极针对下游阴极针有较强的预电离作用)。增加阴极针的排、列数量，对放电室的放电稳定性和均匀性没有影响，易于实现超大体积的稳定均匀辉光放电和几十至几百千瓦超高功率激光输出。
2．两组相互独立的列阵喷管阳极小孔的巧妙应用，使本发明装置可在下游混合和预混合两种工作状况条件下使用。该阳极列阵喷管将气体激光的放电区域与激光激发振荡区域分隔为两个相互独立的空间，以激光束输出方向为参考轴，在放电室内，列阵阴极放电方向垂直于光轴；而在混合激励室内，激活介质流动方向则与光轴一致，它不仅使下游混合技术成为可能，也成功解决了横向多针板大体积均匀辉光放电和纵向气体流动的技术难题，使本发明装置同时兼有横流激光器输出激光功率高，纵流激光器输出光束质量好的双重优点。
3．由于阴极和阳极两级列阵喷管的绝热膨胀作用，混合激励室的气体温度可以达到极低值。合理选择贮气室工作物质气体的工作压力和抽气室泵的抽速，可使本发明装置在不使用液氮冷却的条件下，实现CO激光输出，也可以在没有昂贵工作物质He气和不使用风机及热交换器条件下，获得高增益。高电光转换效率的CO2强激光输出，大大减少了CO2激光头的体积和重量，有利于工业CO2激光器的小型化。
图1为本发明装置横截面剖视图。
图2为本发明装置纵截面剖视图。
如图1和图2所示，，本发明装置由贮气室3、放电室15和混合激励室20三大组件构成。列阵喷管阴极6将贮气室3和放电室15分隔为相互独立的两个空间；在放电室内，阴极列阵喷管气流方向与阴极针放电方向一致，每根阴极针的放电特征互不干扰，易于实现大体积稳定均匀辉光放电，所述列阵喷管阳极19将放电室15和混合激励室20分隔为独立的两个空间，以激光束输出方向为参考轴，在放电室15内，阴极针放电方向垂直于光轴；而在混合激励室20内，激活介质流动方向则与光轴一致，实现了大体积横向针板放电和纵向气体流动双重目的，可获得高功率，高光束质量激光输出；贮气室3是由阴极针固定板1、放电室上盖板4，列阵喷管阴极6构成的一个腔体，其阴极针固定板1由耐高温的绝缘材料制作，在固定板上均匀排列多个小孔，阴极针穿过小孔并与固定板粘接成一体，该组件通过绝缘胶与放电室上盖板4连成一体，放电室上盖板4沿纵向开有多个氮气N2进气孔5，以便将激光工作气体N2引入贮气室3，上盖板4还开有第一测压孔28和第二测压孔29，分别测量贮气室3和放电室15的气体静压，并通过第一坚固螺钉25与左右侧墙板9、11连为一体；列阵喷管阴极6由耐高温的绝缘材料制作，阴极列阵喷管由多个对称排列的圆锥或圆柱小孔7组成，圆锥或圆柱小孔7分布与阴极针2分布一一对应，以使阴极针2穿过园锥或园柱小孔的轴心，在圆锥或圆柱小孔与阴极针之间形成环形扩张或环形喷管8，贮气室气体经过绝热膨胀进入放电室15，达到激光工作气体预先冷却的目的，阴极列阵喷管通过紧固螺钉34与放电室上盖板4连为一体，并由第一O形圈35保证贮气室3与放电室15之间的良好密封；所述放电室15是由上盖板4、左、右侧墙板9、11、列阵喷管阳极19构成的一个腔体，其左、右侧墙板9、11由抗水浸蚀的绝缘材料制作，侧墙板上开有冷却水槽13和进、出水小孔12，在靠近放电室一侧粘贴有耐高温的绝缘薄板10，侧墙板上、下端面开有密封槽36和37，并通过第二紧固螺钉27与上盖板4和列阵喷管阳极19连为一体，放电室两端安装有左、右观察窗39、40，列阵喷管阳极19由无氧铜或紫铜制作，该列阵喷管具有下游混合和预混合两种使用状态，阳极列阵喷管开有两组相互独立的列阵园锥或园柱小孔16和18，列阵小孔16为主喷管，它与放电室15和混合激励室20相通，以使放电区内被电子碰撞激发的能量载体N2气通过喷管绝热膨胀后进入混合激励室20，列阵小孔18为下游混合喷管，它与二氧化碳CO2进气管17和混合激励室20相通，以使激光媒质CO2与被激发的N2气在混合激励室进行能量共振转移激发或称下游混合激发，N2气主喷管和CO2下游混合喷管沿光轴方向均匀分布，其喷管喉道直径和数目分别由放电室气体压力，CO2管进气压力以及N2气和CO2的混合比和质量流量决定，预混合与下游混合使用状态不同的是列阵喷管阳极19只使用一组列阵小孔16，不使用CO2或CO进气管17和列阵小孔18，激光激活媒质CO2气体与工作物质N2气一起经进气管5进入放电室3，再经阴极列阵喷管8绝热膨胀冷却后到放电室15直接受激激发，列阵喷管阳极19开有多排冷却小孔14，以使阳极保持良好的冷却效果。混合激励室20由上端开口的混合管22和列阵喷管阳极19构成，混合管22的开口面焊有连接法兰21，外径由水套23包围，水套23与连接法兰21焊为一体，其上开有进、出水孔24，以使混合管保持良好冷却，在混合管两端焊有抽气室33，抽气室33由端盖31、32和抽气管30构成，端盖31分别与法兰21、混合管22焊为一体，端盖32将与激光谐振腔联接，以形成激光振荡输出，混合激励室组件通过紧固螺钉27与阳极列阵喷管和放电室组件相连，并与第二O形圈38保证密封。
Claims (1)
1．一种气动冷却电激励气体激光器，它由贮气室(3)、放电室(15)和混合激励室(20)三大组件构成，其特征为：
(1)列阵喷管阴极(6)将贮气室(3)和放电室(15)分隔为相互独立的两个空间；列阵喷管阳极(19)将放电室(15)和混合激励室(20)分隔为独立的两个空间；
(2)所述贮气室(3)是由阴极针固定板(1)、放电室上盖板(4)、列阵喷管阴极(6)构成的一个腔体，其阴极针固定板(1)由耐高温的绝缘材料制作，在阴极针固定板(1)开有均匀排列的多个小孔，阴极针(2)穿过小孔并与固定板粘接成一体，该组件通过绝缘胶与放电室上盖板(4)连成一体，放电室上盖板(4)沿纵向开有多个氮气进气孔(5)，上盖板(4)还开有与贮气室(3)相通的第一测压孔(28)和与放电室(15)相通的第二测压孔(29)，并通过第一坚固螺钉(25)与左侧墙板(9)和右侧墙板(11)连为一体；
(3)所述列阵喷管阴极(6)由耐高温的绝缘材料制作，阴极列阵喷管(8)由位于列阵喷管阴极(6)上的多个对称排列的园锥或园柱小孔组成，园锥或园柱小孔(7)分布与阴极针(2)分布一一对应，阴极针(2)穿过园锥或园柱小孔的轴心；列阵喷管阴极(6)通过第三紧固螺钉(34)与放电室上盖板(4)连为一体，贮气室(3)与放电室(15)之间由第一O形圈(35)加以密封；
(4)所述放电室(15)是由上盖板(4)、左侧墙板(9)、右侧墙板(11)和列阵喷管阳极(19)构成的一个腔体，其左、右侧墙板(9、11)由抗水浸蚀的绝缘材料制作，左、右侧墙板(9、11)上开有冷却水槽(13)和进、出水小孔(12)，在靠近放电室一侧粘贴有耐高温的绝缘薄板(10)，左、右侧墙板上、下端面开有上密封槽(36)和下密封槽(37)，并通过第二紧固螺钉(27)与上盖板(4)和列阵喷管阳极(19)连为一体；放电室(15)两端安装有左观察窗(39)和右观察窗(40)；列阵喷管阳极(19)由无氧铜或紫铜制作，其上开有两组相互独立的列阵园锥或园柱小孔(16、18)，列阵园锥或园柱小孔(16)形成主喷管，它与放电室(15)和混合激励室(20)相通，列阵园锥或园柱小孔(18)形成下游混合喷管，它与二氧化碳进气管(17)和混合激励室(20)相通，所述主喷管和下游混合喷管沿光轴方向均匀分布，其喷管喉道直径和数目分别由放电室气体压力、CO2管进气压力以及N2气和CO2的混合比和质量流量决定，列阵喷管阳极(19)开有多排冷却水小孔(14)；
(5)所述混合激励室(20)由上端开口的混合管(22)和列阵喷管阳极(19)构成，混合管(22)的开口面焊有连接法兰(21)，外径由水套(23)包围，水套(23)与连接法兰(21)焊为一体，其上开有进、出水孔(24)，在混合管两端焊有抽气室(33)，抽气室(33)由端盖(31)、(32)和抽气管(30)构成，端盖(31)分别与法兰(21)、混合管(22)焊为一体，端盖(32)与激光谐振腔联接，混合激励室组件通过第二紧固螺钉(27)与列阵喷管阳极(19)和放电室组件相连，混合激励室(20)与放电室(15)之间由第二O形圈(38)加以密封。
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