CN113617750B - 主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的装置及方法，所述装置包括激光器腔体、第一循环腔体和第二循环腔体以及连接三个腔体的气体导管。所述方法是通过对第一循环腔体和第二循环腔体交替加热、制冷来实现气体在三个腔体之间的流动，当高温腔内气体携带挥发出的碳氢有机物分子流动到低温的密封循环腔时，通过腔内的放电装置对气体及碳氢有机物分子进行放电，实现对气体中挥发物进行燃烧，从而去除激光器腔体内部的污染物。燃烧产生的二氧化碳气体留在腔体中，水分子通过循环通路中的分子筛进行吸附。本发明与传统方法相比，可以对污染物进行彻底去除，激光器内部污染物能够长期处在较低的水平，激光器使用寿命更长。

Description

主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的装置及方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的装置及方法，特别是一种应用于空间应用激光器的，采用热膨胀实现内部空气对流及利用高压放电实现气体净化的装置及方法。
背景技术
空间应用激光器通常都具有脉冲能量大(或功率高)、光束质量高、使用寿命长等特点。例如，2003年美国宇航局发射的对地测绘卫星ICESat-1上的GLAS激光器，脉冲能量110mJ(75mJ@1064nm，35mJ@532nm)，光束质量M2为1.8，在轨寿命3年；2018年欧空局发射的测风激光雷达ALADIN上的激光器，脉冲能量60mJ@355nm，光束质量为1.5，在轨寿命3年。
这些指标特点，尤其是长寿命，对空间应用激光器的可靠性提出了严峻考验。由于在轨寿命时间长，激光器内部非金属材料会随着时间逐渐挥发出过量的可凝挥发物(主要成分为碳氢有机物分子)，继而附着在光学元件表面，当激光振荡输出时，激光穿透过这些表面时，就容易引起光学元件表面膜层损伤，当激光持续振荡，激光会在透过损伤点时发生衍射及干涉，进而在光路上形成一系列强点，使损伤范围不断扩大，直至整台激光器失效。
GLAS的第一台激光器只工作了37天后便失效，第二台也出现了能量急剧衰减，不得不将每月一次的探测模式调整为每年二次。ALADIN激光器在发射4个月后，激光能量就出现了大幅下降，使任务不得不切换到备份激光器。根据原因分析，上述故障的主要原因就是非金属物挥发出的碳氢化合物污染了光学表面。
为了降低污染物的影响，科研人员在激光器中采用了多种方案，如专利CN201711061321.2公布了一种通过将光学元件在低温下进行氢氟酸刻蚀处理提高光学元件的损伤阈值；该思路的专利还有CN201910856198.6、CN201910640397.3、CN201910363334.8、CN201910090957.2、CN201710355002.6等都是提高光学元件损伤阈值的方法；但一方面，在相当多的激光器中，非金属物的使用难以避免，如导线绝缘层、光电器件外壳、镜片与镜框的缓冲材料、螺纹胶等等。另一方面，上述方法中，污染物得不到根本去除，污染风险仍然存在，而对于长寿命要求的空间应用激光器的可靠性设计也因此受到极大挑战。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的装置及方法。
本发明解决技术的方案是：
一种主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的装置，包括激光器腔体、第一循环腔体和第二循环腔体；
激光器腔体、第一循环腔体和第二循环腔体均为密封腔体，激光器腔体内部安装有激光器内部部组件；激光器腔体通过第一气体导管与第一循环腔体连接，通过第二气体导管与第二循环腔体连接；
第一循环腔体与第一气体导管连接处内部设置有第一分子筛，第一正惰性电极板和第一负惰性电极板位于第一循环腔体中，且第一正惰性电极板和第一负惰性电极板均与第一循环腔体绝缘，第一循环腔体上设置有第一充气气阀；
第二循环腔体与第二气体导管连接处内部设置有第二分子筛，第二正惰性电极板和第二负惰性电极板位于第二循环腔体中，且第二正惰性电极板和第二负惰性电极板均与第二循环腔体绝缘，第二循环腔体上设置有第二充气气阀；
激光器腔体、第一循环腔体和第二循环腔体均设置有控温系统。
激光器腔体、第一循环腔体和第二循环腔体均采用金属密封设计，并相互绝热安装，第一气体导管和第二气体导管为波纹管。
装置整体漏率不大于10-8pa·m3s-1。
第一充气气阀的骨架元素为硅、铝、磷、锰、钴、钛、铬、锗、铁、锌、铜、硼、铍或钒；第二充气气阀的骨架元素为硅、铝、磷、锰、钴、钛、铬、锗、铁、锌、铜、硼、铍或钒。
第一循环腔体和第二循环腔体充入的气体中包括氧气。
第一正惰性电极板和第一负惰性电极板材料相同，材料为钛、钨、金、银、石墨或其化合物；
第二正惰性电极板和第二负惰性电极板材料相同，材料为钛、钨、金、银、石墨或其化合物。
利用所述主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的装置的主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的方法，包括如下步骤：
打开第一充气气阀和第二充气气阀，分别向第一循环腔体和第二循环腔体充入足量洁净气体；
通过控温系统将激光器腔体、第一循环腔体和第二循环腔体控制在相同温度点上；
通过控温系统控制第一循环腔体升温，第二循环腔体降温，第一循环腔体内部气体通过第一分子筛后，通过激光器腔体流向第二循环腔体，一段时间后，第二循环腔体内气体浓度达到最高时，给第二正惰性电极板和第二负惰性电极板通入高压，使第二循环腔体内部产生高压放电，分解污染物；
待放电充分后，再通过控温系统控制第二循环腔体升温，第一循环腔体降温，第二循环腔体内部气体通过第二分子筛后，开始向激光器腔体及第一循环腔体流动，一段时间后，第一循环腔体内气体浓度达到最高时，给第一正惰性电极板和第一负惰性电极板通入高压，使第一循环腔体内部产生高压放电，分解污染物；
待放电充分后，通过控温系统将第一循环腔体和第二循环腔体恢复初始温度，完成清洁循环。
通过控温系统控制第一循环腔体升温，第二循环腔体降温时，需要保证升温后第一循环腔体内的压强是降温后第二循环腔体压强的1.2倍以上；
通过控温系统控制第二循环腔体升温，第一循环腔体降温时，需要保证升温后第二循环腔体内的压强是降温后第一循环腔体压强的1.2倍以上。
给第二正惰性电极板和第二负惰性电极板通入1kV-80kV的电压；
给第一正惰性电极板和第一负惰性电极板通入1kV-80kV的电压。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本发明气体循环通过气体膨胀收缩来实现，在通路中没有气泵等有源设备，避免了非金属物的使用及可能的二次污染；
2、本发明通过对挥发物进行放电燃烧，能够最大限度去除污染物，与传统的方法相比，改善污染致激光损伤效果更明显；
3、本发明的气体循环通过气体膨胀收缩来实现，避免使用其他机电设备，可靠性更高；
4、本发明与传统方法相比，由于可以对污染物进行彻底去除，因此，激光器内部污染物能够长期处在较低的水平，因此激光器使用寿命更长。
附图说明
图1为本发明装置整体构型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
针对现有空间应用激光器存在的由非金属物放气导致可凝挥发物污染光学表面，进而使光学元件受激光损伤的问题，本发明提供一种通过热膨胀使激光器内部气体流动，通过高压放电使挥发物分解的装置，以达到清除激光器内部挥发污染物的目的。该方案采用对连接激光器腔体的两个空腔分别进行加热和冷却，通过内部气体的膨胀和压缩，实现激光器腔体内部空气的流动，当气体在冷却的空腔内压缩最大时，在冷腔内进行高压放电，产生的电火花使污染物燃烧分解。从而有效清除空间应用激光器内部挥发污染物。技术方案如下：
本发明一种主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的装置，包括激光器腔体1、第一循环腔体5和第二循环腔体11以及连接三个空腔的气体导管。通过对两个密封循环腔(第一循环腔体5和第二循环腔体11)交替加热、制冷来实现气体在三个腔体之间的流动，当腔内气体携带挥发出的碳氢有机物分子流动到低温的密封循环腔时，通过腔内的放电装置对气体及碳氢有机物分子进行放电，实现对气体中挥发物进行燃烧，从而去除激光器腔体内部的污染物。燃烧产生的二氧化碳气体留在腔体中，水分子通过循环通路中的分子筛进行吸附。
具体地，激光器腔体1为密封腔体，内部有装调完毕的激光器内部部组件2。激光器腔体通过第一气体导管3与第二气体导管9分别与第一循环腔体5和第二循环腔体11连接。第一循环腔体5和第二循环腔体11皆为密封腔体，在第一循环腔体5中，6、7分别为第一正惰性电极板、第一负惰性电极板，两电极板与第一循环腔体腔体绝缘，4为过滤水汽的第一分子筛，8为第一充气气阀。同样，在第二循环腔体11中，12、13分别为第二正惰性电极板、第二负惰性电极板，两电极板与第二循环腔体11腔体绝缘，10为过滤水汽的第二分子筛，14为第二充气气阀。15、16、17分别为三个腔体的控温系统。三个腔体均有单独控温系统。
第一气体导管3与第二气体导管9采用金属波纹管，波纹管材料可以为铜、不锈钢或铝。
激光器腔体1、第一循环腔体5和第二循环腔体11三个腔体之间相互绝热，且单独控温。各腔体充入气体包含氧气。各腔体充入气体压强在0.05MPa～1MPa。各腔体之间通过不同温度导致不同气体压强变化进而产生气体流动。
第一正惰性电极板、第一负惰性电极板、第二正惰性电极板、第二负惰性电极板材料可以采用钛、钨、金、银、石墨及其相应化合物。
电极板外形可以采用棒状、网状、板状、环状。
分子筛作为吸附材料，骨架元素可以为硅、铝、磷、锰、钴、钛、铬、锗、铁、锌、铜、硼、铍、钒。
利用本发明装置的主动清除方法如下：
在激光器装调完毕并密封后，通过第一气阀8和第二气阀14充入足量洁净气体。三个腔体(激光器腔体1、第一循环腔体5和第二循环腔体11)通过三个控温系统分别控制在相同温度点上，当清洁系统启动时，第一循环腔体5升温，第二循环腔体11降温。气体开始从第一循环腔体5通过激光器腔体流向第二循环腔体11，待足够长时间后，第二循环腔体11内气体浓度达到最高时，内部电极板12、13通入高压，使第二循环腔体11内部产生高压放电，分解污染物。待放电充分后，再将第二循环腔体11温度升高，第一循环腔体5温度降低，第二循环腔体11内部气体通过第二分子筛10后，开始向激光器腔体1及第一循环腔体5流动，待足够长时间后，第一循环腔体5内气体浓度达到最高时，内部电极板6、7通入高压，使第一循环腔体5内部产生高压放电，分解污染物。待放电充分后，第一循环腔体5和第二循环腔体11恢复初始温度，完成清洁循环。
实施例
如图1所示，一种主动清除空间应用激光器内部挥发污染物装置。该装置包括激光器腔体1、第一循环腔体5、第二循环腔体11三个部分，三腔体均采用金属密封设计，并相互绝热安装，三腔体通过金属波纹管连接，整体漏率不大于10-8pa·m3s-1。
激光腔体1、第一循环腔体5、第二循环腔体11、金属波纹管及内部所有元件均经过真空放气；
激光腔体1除去部组件2之后的容积设计为0.5×10-3m3，第一循环腔体5及第二循环腔体11容积设计为2×10-3m3；
第一循环腔体5、第二循环腔体11，其内部的金属电极板6、7、12、13材料均为有金属氧化物涂层的钛网材料，尺寸均为80mm×80mm×100mm；
第一分子筛4及第二分子筛10为3A分子筛；
激光腔体1采用控温系统15进行温度控制，第一循环腔体5采用控温系统16进行温度控制、第二循环腔体11采用控温系统17进行温度控制；
第一气体导管3与第二气体导管9设计长度均为1m；
在常温(23℃)下，将纯氮气和纯氧气按照6:4的比例从第一气阀8或第二气阀14充入三个腔体，最终气压控制在0.15MPa；
设置激光器腔体1的控温系统15、第一循环腔体5的控温系统16、第二循环腔体11的控温系统17均为23℃；
在清洁过程开始时，第一循环腔体5的控温系统16逐渐升温到120℃，第二循环腔体11的控温系统17逐渐降温到-10℃；
待温度稳定后，第二循环腔体11的两个电极板12、13开始通2000V脉冲直流电；
放电10分钟后，第二循环腔体11的控温系统17逐渐升温到120℃，第一循环腔体5的控温系统16逐渐降温到-10℃；
待温度稳定后，第一循环腔体5的两个电极板6、7开始通2000V脉冲直流电；
放电10分钟后，第一循环腔体5及第二循环腔体11恢复至常温，清洁过程结束。
本发明采用两个密封循环腔体与激光器腔体连接，通过对两个密封循环腔体分别加热、制冷，实现包含挥发污染物的气体在各腔体间流动。采用在低温的循环腔体内部进行高压放电，实现污染物的燃烧分解，燃烧产生的二氧化碳留在气体中，水汽由吸附物吸附，从而达到对内部气体净化的目的。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的装置，其特征在于：包括激光器腔体(1)、第一循环腔体(5)和第二循环腔体(11)；
激光器腔体(1)、第一循环腔体(5)和第二循环腔体(11)均为密封腔体，激光器腔体(1)内部安装有激光器内部部组件(2)；激光器腔体(1)通过第一气体导管(3)与第一循环腔体(5)连接，通过第二气体导管(9)与第二循环腔体(11)连接；
第一循环腔体(5)与第一气体导管(3)连接处内部设置有第一分子筛(4)，第一正惰性电极板(6)和第一负惰性电极板(7)位于第一循环腔体(5)中，且第一正惰性电极板(6)和第一负惰性电极板(7)均与第一循环腔体(5)绝缘，第一循环腔体(5)上设置有第一充气气阀(8)；
第二循环腔体(11)与第二气体导管(9)连接处内部设置有第二分子筛(10)，第二正惰性电极板(12)和第二负惰性电极板(13)位于第二循环腔体(11)中，且第二正惰性电极板(12)和第二负惰性电极板(13)均与第二循环腔体(11)绝缘，第二循环腔体(11)上设置有第二充气气阀(14)；
激光器腔体(1)、第一循环腔体(5)和第二循环腔体(11)均设置有控温系统。
2.根据权利要求1所述的一种主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的装置，其特征在于：激光器腔体(1)、第一循环腔体(5)和第二循环腔体(11)均采用金属密封设计，并相互绝热安装，第一气体导管(3)和第二气体导管(9)为波纹管。
3.根据权利要求1所述的一种主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的装置，其特征在于：装置整体漏率不大于10-8pa·m3s-1。
4.根据权利要求1所述的一种主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的装置，其特征在于：第一充气气阀(8)的骨架元素为硅、铝、磷、锰、钴、钛、铬、锗、铁、锌、铜、硼、铍或钒；第二充气气阀(14)的骨架元素为硅、铝、磷、锰、钴、钛、铬、锗、铁、锌、铜、硼、铍或钒。
5.根据权利要求1所述的一种主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的装置，其特征在于：第一循环腔体(5)和第二循环腔体(11)充入的气体中包括氧气。
6.根据权利要求1所述的一种主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的装置，其特征在于：第一正惰性电极板(6)和第一负惰性电极板(7)材料相同，材料为钛、钨、金、银、石墨或其化合物；
第二正惰性电极板(12)和第二负惰性电极板(13)材料相同，材料为钛、钨、金、银、石墨或其化合物。
7.利用权利要求1-6任一项所述主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的装置的主动清除空间应用激光器内部挥发污染物的方法，其特征在于包括如下步骤：
打开第一充气气阀(8)和第二充气气阀(14)，分别向第一循环腔体(5)和第二循环腔体(11)充入足量洁净气体；
通过控温系统将激光器腔体(1)、第一循环腔体(5)和第二循环腔体(11)控制在相同温度点上；
通过控温系统控制第一循环腔体(5)升温，第二循环腔体(11)降温，第一循环腔体(5)内部气体通过第一分子筛(4)后，通过激光器腔体(1)流向第二循环腔体(11)，一段时间后，第二循环腔体(11)内气体浓度达到最高时，给第二正惰性电极板(12)和第二负惰性电极板(13)通入高压，使第二循环腔体(11)内部产生高压放电，分解污染物；
待放电充分后，再通过控温系统控制第二循环腔体(11)升温，第一循环腔体(5)降温，第二循环腔体(11)内部气体通过第二分子筛(10)后，开始向激光器腔体(1)及第一循环腔体(5)流动，一段时间后，第一循环腔体(5)内气体浓度达到最高时，给第一正惰性电极板(6)和第一负惰性电极板(7)通入高压，使第一循环腔体(5)内部产生高压放电，分解污染物；
待放电充分后，通过控温系统将第一循环腔体(5)和第二循环腔体(11)恢复初始温度，完成清洁循环。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：通过控温系统控制第一循环腔体(5)升温，第二循环腔体(11)降温时，需要保证升温后第一循环腔体(5)内的压强是降温后第二循环腔体压强的1.2倍以上；
通过控温系统控制第二循环腔体(11)升温，第一循环腔体(5)降温时，需要保证升温后第二循环腔体(11)内的压强是降温后第一循环腔体(5)压强的1.2倍以上。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：给第二正惰性电极板(12)和第二负惰性电极板(13)通入1kV-80kV的电压；
给第一正惰性电极板(6)和第一负惰性电极板(7)通入1kV-80kV的电压。
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