CN1106704C - 脉冲二氧化碳激光器的放电系统 - Google Patents

Abstract

一种脉冲二氧化碳激光器的放电系统，包括主放电和脉冲预电离两部分。主放电部分包括主放电阴极管和一排阳极条。脉冲预电离部分包括与阳极条一一相对应的连接主闸流管上的一排预电离阴极针，主闸流管的触发极上连接有能够输送高频开关脉冲信号的脉冲信号发生器。本发明以预电离脉冲群开关激励非自持大体积的气体辉光放电，获得了高平均功率高重复频率的脉冲CO₂激光束的输出。

Description

脉冲二氧化碳激光器的放电系统

本发明是一种能够获得高平均功率高重复频率的脉冲二氧化碳(CO₂)激光器的放电系统。

技术背景：高功率CO₂激光器发展的一个十分重要的趋势是高平均功率高重复频率地运行。例如激光雷达、激光同位素分离、激光诱导化学反应，均要求有高功率脉冲激光束的输出，脉宽在0.01～1微秒之间；而对激光加工，诸如切割、焊接、毛化、刻花、打孔、淬火、表面热处理等，有时要求激光脉冲宽度在0.01～1毫秒之间，这将取得比连续激光加工好得多的加工效果。

已有技术中，德国罗芬—希纳(Rofin-Sinar)公司的快速轴流CO₂激光器采用调制射频主放电的结构实现脉冲激光束的输出，日本三菱公司的快速轴流CO₂激光器采用调制无声主放电的结构达到脉冲激光束的输出；美国光谱物理公司的SP-810快速轴流CO₂激光器采用开关主放电的结构达到脉冲激光束的输出。中国科学院上海光学精密机械研究所提供有脉冲激光束输出的横流或轴流CO₂激光器产品也多数采用开关电源的结构。

上述脉冲输出CO₂激光器的例子，尤其是射频激励和无声放电激励主放电的结构，或是脉冲开关电源等，均是结构复杂、技术难度大而造价昂贵。

本发明的目的为克服已有技术的不足，提供一种脉冲二氧化碳(CO₂)激光器的放电系统，将可以达到高重复频率高平均功率脉冲激光束的输出，能够通过调制仅有几百瓦平均功率的预电离脉冲系列，达到控制几十千瓦大功率的主放电脉冲注入。其放电结构简单合理，造价低廉，单位体积注入功率大，制作的技术难度也较低。

本发明的脉冲CO₂激光器的放电系统，如图1所示，它包括主放电部分18和脉冲预电离部分19。其中主放电部分18包括置于激光器放电腔17内的主放电阴极管8和嵌于高温绝缘材料中相互绝缘的一排阳极条9。主放电阴极管8与主放电直流电源10相连。每根阳极条9通过限流电阻13和滤波电感12也与主放电直流电源10相连。

脉冲预电离部分19包括与一排阳极条9一一相对应的一排预电离阴极针7，预电离阴极针7是置于相对主放电阴极管8处的气体流动方向v的上游。一排预电离阴极针7经过第一隔直电容6和储能电容5与主闸流管4的板极P相连。主闸流管4的触发极C连接有脉冲信号发生器16。主闸流管4的板极P通过二极管3和饱和电感2连接有预电离直流电源1。

主放电部分18与脉冲预电离部分19之间有两只隔直电容即第一隔直电容6和第二隔直电容14将其两部分隔开。脉冲预电离部分19连有旁路电感15。

所说的连接到主闸流管4触发极C上的脉冲信号发生器16含有与非门162，与非门162上连接有高频信号源161和调制信号源165。与非门162的输出经过整形放大器163和脉冲放大开关元件164连接到主闸流管4的触发极C。

上述激光器的电极结构为适合于三轴(气体流动方向v、激光器谐振腔的光轴、放电方向)正交的横流CO₂激光器，主放电阴极管8为直径Φ10mm左右的水冷铜管，置于一排阳极条9的气流方向v的上游。阳极条9为嵌于绝缘且耐高温材料之中相互分立，相互绝缘并在同一平面上的铜条。其预电离阴极针7与一排主放电阳极条9一一对应，置于主放电阴极管8的沿气体流动方向v的上游。预电离阴极针7与主放电阴极管8之间，预电离阴极针7与主放电阳极条9之间形成两个预电离放电回路。主放电阴极管8与阳极条9之间形成主放电回路。

主放电直流电源10为主放电部分18的驱动源，滤波电感12既是主放电直流电源10的滤波电感，又是脉冲预电离部分19的隔离器；限流电阻13是每一个阳极条9的限流电阻，即是气体辉光放电的镇流器；隔直电容6和14阻止主放电部分18的直流进入脉冲预电离部分19内。图1中大圆圈11表示激光器的光学谐振腔，其光学谐振腔11的光轴垂直于纸面，即z方向；气流方向v如图1所示的由左向右，即x方向；放电方向为图1的中上下方向，即y方向；则气流、放电和光轴三者的方向为xyz的正交方向。

图1左部为脉冲预电离部分19，主闸流管4是脉冲预电离部分19的主要脉冲开关元件；预电离直流电源1为脉冲预电离部分19提供直流电；脉冲信号发生器16为主闸流管4提供脉冲触发信号。

具体的是脉冲信号发生器16中的与非门162由高频信号源161加入高频尖脉冲信号如大于3KHz的尖脉冲，在与非门162的另一端再由调制信号源165加入一振荡调制信号，当改变振荡调制信号的周期及占空比，即可得到周期及占空比可调的脉冲群信号。此脉冲群信号触发主闸流管4，从而控制脉冲预电离及主放电的放电。

附图说明：

图1为本发明的脉冲二氧化碳(CO₂)激光器的放电系统的示意图。

图2为本发明脉冲预电离部分19中连接到主闸流管4上的脉冲信号发生器16的线路结构简图。

本发明的优点：本发明采用如图1所示的放电系统。在非自持大体积气体辉光放电条件下，采用本发明的上述预电离脉冲群开关结构比已有技术利用气体辉光放电的着火电压与维持电压之间存在着明显的差异和优点。已有技术中，当采用的预电离脉冲频率远大于放电区等离子体的弛豫率时，激光输出为近似连续波。例如：脉冲预电离脉宽为50～500毫微秒，预电离脉冲在重复频率5KHz时，预电离脉冲平均功率在数百瓦量级范围内，可用来控制数十千瓦主电源功率注入放电区，获得的是数千瓦连续波CO₂激光功率输出。

本发明的放电系统当采用大于3KHz，通常是5KHz～10KHz的重复频率，脉冲宽度50～500毫微秒，平均功率数百瓦的脉冲信号作为预电离的触发信号，通过对预电离脉冲信号的振荡调制，形成脉冲群开关信号触发预电离放电在非自持放电条件下，即可实现对主放电的控制，至此可达到高重复频率高平均功率的脉冲激光束输出的目的。所以，如上所述，在同样条件下，采用本发明的放电系统就比已有技术中的放电系统单位体积注入功率大，关键还在于本发明的放电系统容易获得高重复频率高平均功率的CO₂激光束输出。而且结构简单，容易控制，容易制造，造价低廉。

实施例：

采用如图1、图2所示的电极结构和放电系统。激光器为横流CO₂激光器。主放电阴极管8为Φ10mm的水冷铜管，阳极条9沿气流方向v长度70mm，阳极条9相互之间间隔为5mm，阳极条9一排共55根，放电有效长度为1100mm，主放电阴极管8与阳极条9之间的放电距离为30mm，预电离阴极针7为Φ1mm铜针，离主放电阴极管8的距离为10mm，预电离阴极针7尖端离阳极条9的距离为30mm，预电离阴极针7与阳极条9一一对应，因此预电离阴极针7也是一排55根。激光器放电腔17内充气总气压为50毫米汞柱(合6.67KPa)，充入气体为CO₂∶N₂∶He＝1∶8∶11，激光器为双放电通道，型折迭光学谐振腔。

当脉冲预电离重复频率为5KHz时，脉冲宽度为300毫微秒，采用调制信号源165输入有开6个关6个的振荡调制信号给与非门162，则脉冲重复率为 $5000\÷(6+6)\≅420\mathrm{Hz}.$ 在上述条件下，当注入脉冲预电离平均功率约为200W时，主放电电流为21安培，主放电维持电压(平均值)在2.0KV时，获得5.0KW脉冲CO₂激光束的输出。这个结果是比较理想的。

Claims (2)

1.一种脉冲二氧化碳激光器的放电系统，包括主放电部分(18)和脉冲预电离部分(19)，主放电部分(18)包括置于激光器放电腔(17)内的主放电阴极管(8)和嵌于高温绝缘材料中相互绝缘的一排阳极条(9)，主放电阴极管(8)及通过限流电阻(13)和滤波电感(12)的每根阳极条(9)与主放电直流电源(10)相连；脉冲预电离部分(19)包括与一排阳极条(9)一一相对应的置于相对主放电阴极管(8)处的气体流动方向(v)的上游有一排预电离阴极针(7)；主放电部分(18)与脉冲预电离部分(19)之间有两只隔直电容即第一隔直电容(6)和第二隔直电容(14)隔开，脉冲预电离部分(19)连有旁路电感(15)；其特征在于所说的脉冲预电离部分(19)中的一排预电离阴极针(7)经过第一隔直电容(6)和储能电容(5)与主闸流管(4)的板极(P)相连，主闸流管(4)的触发极(C)连接有脉冲信号发生器(16)，主闸流管(4)的板极(P)通过二极管(3)和饱和电感(2)连接有预电离直流电源(1)。

2.根据权利要求1所述的脉冲二氧化碳激光器的放电系统，其特征在于所说的脉冲信号发生器(16)含有连接有高频信号源(161)和调制信号源(165)的与非门(162)，与非门(162)的输出经过整形放大器(163)和脉冲放大开关元件(164)连接到主闸流管(4)的触发极(C)。

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