CN116392923A

CN116392923A - 一种气体激光器杂质净化装置

Info

Publication number: CN116392923A
Application number: CN202310669852.9A
Authority: CN
Inventors: 徐静奇
Original assignee: Beijing Jingyi Optoelectronic Technology Co ltd; Wuhan Jingce Electronic Group Co Ltd
Current assignee: Beijing Jingyi Optoelectronic Technology Co ltd; Wuhan Jingce Electronic Group Co Ltd
Priority date: 2023-06-07
Filing date: 2023-06-07
Publication date: 2023-07-07

Abstract

本申请涉及一种气体激光器杂质净化装置，包括：放电腔腔体，该放电腔腔体为封闭的空心腔体结构，放电腔腔体开设有排气口和进气口；冷凝过滤器，该冷凝过滤器包括相互连通的泵体和冷凝换热器，泵体用于将排气口排出的工作气体泵入冷凝换热器内；冷凝换热器用于冷凝分离工作气体内的杂质气体，并将净化后的工作气体由进气口返回放电腔腔体内。本申请利用泵体将放电腔腔体内的工作气体通过排气口泵入冷凝换热器内，进入冷凝换热器的工作气体在冷凝换热器的超低温冷凝作用下，使杂质气体留在冷凝换热器中，进而实现过滤工作气体内的杂质气体，并将净化后的工作气体由进气口返回放电腔腔体内，提高工作气体的纯度。

Description

一种气体激光器杂质净化装置

技术领域

本申请涉及气体激光器技术领域，特别涉及一种气体激光器杂质净化装置。

背景技术

现有气体激光器包括CO₂激光器，准分子激光器等，工作气体放电时会产生微颗粒和其他杂质气体。随着时间的流逝，这些碎片会积聚在各种表面上，如激光腔的光学组件(例如，腔镜)的表面上，而导致激光输出功率降低。我们不希望不停的升高的放电电压来保证激光器能量输出，因为提高电压会导致激光器腔室寿命缩短。

去除放电产生微尘颗粒的方法，一般方法有两种：一是通过微颗粒过滤器滤除杂质。二是通过静电除尘的方法，使微尘金属颗粒通过高压电晕丝荷电，荷电后的微尘颗粒再被除尘板捕获。以上两种方法在实际应用中，都可以提高激光器气体使用寿命。

由于上述两种方法过滤机理的限制，对直径大于微米的灰尘颗粒过滤效果较好。对于激光器放电发生化学反应，生成的更小直径杂质气体颗粒没有过滤效果。这些气体杂质会在放电腔内累积，从而影响激光器出光效率。

发明内容

本申请实施例提供一种气体激光器杂质净化装置，以解决相关技术中激光器腔室内气体杂质难以去除过滤，导致气体杂质会在放电腔内累积，从而影响激光器出光效率的问题。

本申请实施例提供了一种气体激光器杂质净化装置，包括：

放电腔腔体，所述放电腔腔体为封闭的空心腔体结构，所述放电腔腔体开设有排气口和进气口；

冷凝过滤器，所述冷凝过滤器包括相互连通的泵体和冷凝换热器，所述泵体用于将排气口排出的工作气体泵入所述冷凝换热器内；

所述冷凝换热器用于冷凝分离所述工作气体内的杂质气体，并将净化后的工作气体由所述进气口返回所述放电腔腔体内。

在一些实施例中：所述排气口连接有过滤所述工作气体的气体过滤器，经所述气体过滤器过滤后的工作气体依次进入所述泵体和冷凝换热器，最终由第一管路进入放电腔腔体内。

在一些实施例中：所述气体过滤器为气体纯化器。

在一些实施例中：所述冷凝换热器包括依次连接的热交换器、冷头和压缩机，所述压缩机配合所述冷头以制冷所述冷头，所述冷头与所述热交换器连接以冷凝工作气体内的杂质气体。

在一些实施例中：所述热交换器包括相互贴合的板式换热器和螺旋换热器，所述螺旋换热器与所述冷头相互贴合；

所述螺旋换热器包括外壳和位于外壳内的螺旋叶片，所述螺旋叶片与外壳之间形成螺旋气流通道；

所述板式换热器设有冷却通道和升温通道，所述冷却通道和升温通道分别与所述螺旋气流通道的入口和出口连通。

在一些实施例中：所述压缩机为氦气压缩机。

在一些实施例中：所述冷凝换热器还包括检测所述冷头温度的温度传感器，以及与所述温度传感器连接用于实时调节所述压缩机制冷功率的控制器，所述温度传感器、所述控制器以及所述压缩机共同作用使得所述冷头保持在设定温度。

在一些实施例中：还包括与放电腔腔体连通的静电除尘器，所述静电除尘器用于净化处理放电腔腔体内的工作气体，并将净化后的工作气体经第二管路返回所述放电腔腔体内。

在一些实施例中：所述进气口设有两个，两个所述进气口分别位于所述放电腔腔体的两端并对称设置；

所述放电腔腔体的两端设有与所述进气口连通的扰流片模块，所述扰流片模块远离所述放电腔腔体的一端设有出光窗片。

在一些实施例中：所述冷凝换热器的出口通过所述扰流片模块与所述进气口连通。

在一些实施例中：所述冷凝换热器的工作温度高于放电腔腔体内工作气体的最高冷凝温度，所述冷凝换热器的工作温度低于杂质气体的液化点温度。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种气体激光器杂质净化装置，由于本申请的气体激光器杂质净化装置设置了放电腔腔体，该放电腔腔体为封闭的空心腔体结构，放电腔腔体开设有排气口和进气口；冷凝过滤器，该冷凝过滤器包括相互连通的泵体和冷凝换热器，其中，泵体用于将排气口排出的工作气体泵入冷凝换热器内；冷凝换热器用于冷凝分离工作气体内的杂质气体，并将净化后的工作气体由进气口返回放电腔腔体内。

因此，本申请的气体激光器杂质净化装置利用泵体将放电腔腔体内的工作气体通过排气口泵入冷凝换热器内，进入冷凝换热器的工作气体在冷凝换热器的超低温冷凝作用下，使杂质气体留在冷凝换热器中，进而实现过滤工作气体内的杂质气体，并将净化后的工作气体由进气口返回放电腔腔体内。冷凝换热器能够过滤直径在纳米级别的杂质气体，这是静电吸附和微颗粒过滤器做不到的。实验证明在激光器系统增加冷凝过滤器，可以使气体寿命、光束质量大大提高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的结构示意图；

图2为本申请实施例冷凝换热器的结构示意图；

图3为本申请实施例螺旋换热器的结构示意图。

附图标记：

1、第二管路；2、第一管路；10、放电腔腔体；11、排气口；20、静电除尘器；50、出光窗片；60、扰流片模块；70、冷凝换热器；71、板式换热器；72、螺旋换热器；73、冷头；74、压缩机；75、温度传感器；76、控制器；77、外壳；78、螺旋叶片；79、螺旋气流通道；80、泵体；90、气体过滤器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种气体激光器杂质净化装置，其能解决相关技术中激光器腔室内气体杂质难以去除过滤，导致气体杂质会在放电腔内累积，从而影响激光器出光效率的问题。

参见图1所示，本申请实施例提供了一种气体激光器杂质净化装置，包括：

放电腔腔体10，该放电腔腔体10为封闭的空心腔体结构，放电腔腔体10设计执行压力容器的相关标准，用来储存 3～6atm 具有腐蚀性的混合气体，例如包括 F2 气体在内产生准分子的卤素气体等。放电腔腔体10开设有排气口11和进气口，排气口11用于将放电腔腔体10内的工作气体排出至放电腔腔体10外，进气口用于将放电腔腔体10外的气体循环至放电腔腔体10内。

冷凝过滤器，该冷凝过滤器包括相互连通的泵体80和冷凝换热器70。其中，泵体80用于将排气口11排出的工作气体泵入冷凝换热器70内，泵体80优选但不限于为机械泵或隔膜泵。冷凝换热器70用于超低温冷凝分离工作气体内的杂质气体，并将净化后的工作气体由进气口返回放电腔腔体10内。由于放电腔腔体10内的工作气体和杂质气体的凝结温度不同，利用冷凝换热器70采用超低温冷凝分离工作气体内的杂质气体，使杂质气体留在冷凝换热器70中，工作气体循环回到放电腔腔体10内。

本申请实施例的气体激光器杂质净化装置利用泵体80将放电腔腔体10内的工作气体通过排气口11泵入冷凝换热器70内，进入冷凝换热器70的工作气体在冷凝换热器70的超低温冷凝作用下，使杂质气体留在冷凝换热器70中，进而实现过滤工作气体内的杂质气体，并将净化后的工作气体由进气口返回放电腔腔体10内。冷凝换热器70的工作温度高于放电腔腔体10内工作气体的最高冷凝温度，冷凝换热器70的工作温度低于杂质气体的液化点温度。

以308nm准分子激光器为例，其工作气体为Xe、HCl、Ne和H₂。由于腔体漏气、气体纯度和激光放电发生的化学反应，在放电腔腔体10内会产生H₂O、N₂、CL₂、NH₃、CO₂等杂质气体。以腔体总压力6bar为例，工作气体Xe、HCl、Ne和H₂在腔内占有不同的组分和分压。气体随着分压越小，冷凝温度越低，结合饱和蒸气压理论，可以计算出并测试出工作气体在一定的分压下的最高冷凝温度T1。冷凝换热器70的冷凝温度要高于这个温度T1，以免这些工作气体被液化。

假定冷凝换热器70设定温度为T1+10K。同样随着H₂O、N₂、CL₂、NH₃、CO₂等杂质气体的产生，其分压增大导致其液化温度点升高。当杂质气体液化点超过T1+10K时，该杂质气体被液化留在冷凝换热器70内。随着杂质气体减少，该气体分压下降，液化温度点也随之下降到T1+10K时，杂质气体不被液化流回到放电腔腔体10内。从以上描述可以看出，冷凝换热器70中设定的冷凝器温度T1+10k控制了杂质气体的分压即含量。所以只要冷凝温度T1+10K保持一定，杂质气体含量就会保持在一定范围内。

在一些可选实施例中：参见图1所示，本申请实施例提供了一种气体激光器杂质净化装置，该气体激光器杂质净化装置的排气口11连接有气体过滤器90，经气体过滤器90过滤后的工作气体依次进入泵体80和冷凝换热器70，最终经第一管路2返回至放电腔腔体10内。气体过滤器90优选为带筛孔的气体纯化器，比如美国Entegris公司生产的Wafergard型气体过滤器。气体过滤器90将放电腔腔体10排出的工作气体初步净化后排入泵体80和冷凝换热器70，以提高冷凝换热器70的使用寿命。

在一些可选实施例中：参见图1至图3所示，本申请实施例提供了一种气体激光器杂质净化装置，该气体激光器杂质净化装置的冷凝换热器70包括依次连接的热交换器、冷头73和压缩机74，压缩机74配合冷头73以制冷冷头73，冷头73与热交换器连接以冷凝进入热交换器内工作气体内的杂质气体。压缩机74优选但不限于为氦气压缩机，氦气压缩机能够产生足以使杂质气体冷凝的温度，高压液氦气体通过压缩机74输出到冷头73中，在冷头73中膨胀吸收热量使冷头73温度降低，氦气压缩机配合单级或两级冷头技术可以将冷头73温度降到100K以下。

热交换器70包括相互贴合的板式换热器71和螺旋换热器72，螺旋换热器72能够高效的将杂质气体降低到需要的冷凝温度。螺旋换热器72与冷头73相互贴合，螺旋换热器72包括外壳77和位于外壳77内的螺旋叶片78，螺旋叶片78与外壳77之间形成供工作气体流通的螺旋气流通道79。螺旋换热器72的外壳77与冷头73贴合以形成良好的热交换，工作气体进入螺旋换热器72内后沿着螺旋气流通道79的方向流动并对其快速冷却降温，以将工作气体中的杂质气体在超低温环境下冷凝并留在螺旋换热器72中。

板式换热器71设有冷却通道和升温通道，冷却通道与螺旋气流通道79的入口连通。由放电腔腔体10排出的工作气体首先进入板式换热器71的冷却通道内对其初次降温作业，经过初次降温的工作气体进入螺旋换热器72的螺旋气流通道79内进行二次降温作业并达到杂质气体的冷凝温度。经过二次降温的工作气体从螺旋气流通道79排出后经过出口再次进入板式换热器71内的升温通道对其进行升温作业，升温后的工作气体经第一管路2返回至放电腔腔体10内。

由于激光放电使工作气体的温度较高，这些工作气体需要冷却到150K左右冷凝杂质气体，工作气体中的杂质气体冷凝净化后需要再流回到放电腔腔体10内，这一过程会产生较大的温差。本申请实施例的板式换热器71和螺旋换热器72相互配合不仅能够高效的将杂质气体降低到需要的冷凝温度，而且利用板式换热器71的初次降温作业和升温作业用于避免工作气体温差过大，至使气体压力急剧变化，损坏气体管路和密封件，保证气体激光器杂质净化装置长期可靠工作。

冷凝换热器还包括检测冷头73温度的温度传感器75，以及以温度传感器75连接有用于实时调节压缩机74制冷功率的控制器76。板式换热器71可以采用市面上常见的板式换热器，螺旋换热器72尺寸需要配合冷头73尺寸且配合。图3给出螺旋换热器72的一个实施实例，工作气体从左边上部入口进入，从螺旋气流通道79运动到右边（贴近冷头73），再通过中间的螺旋气流通道79旋转运动到左边下部出口完成工作气体的冷凝过滤过程，工作气体中的杂质气体被冷凝液化附着在螺旋气流通道79的侧壁上。

该装置可以用氦压缩机配合冷头73的方式制冷，高压液氦气体通过压缩机74输出到冷头73中，在冷头73中膨胀吸收热量使冷头73温度降低。现有氦气压缩机配合单级或两级冷头技术可以将冷头73温度降到100K以下。温度传感器75可以采用PT100或PT1000型热电阻，温度信号由控制器76采集，实时启动或关闭压缩机74，将冷头73稳定在设定温度。温度传感器75、控制器76以及压缩机74共同作用使得冷头73保持在设定温度。

在一些可选实施例中：参见图1所示，本申请实施例提供了一种气体激光器杂质净化装置，该气体激光器杂质净化装置的还包括与放电腔腔体10连通的静电除尘器20，静电除尘器20对放电腔腔体10内的工作气体进行净化处理，并将净化后的工作气体通过第二管路1返回至放电腔腔体10内。进气口设有两个，两个所述进气口分别位于放电腔腔体10的两端并对称设置。放电腔腔体10的两端设有与进气口连通的扰流片模块60，扰流片模块60远离放电腔腔体10的一端设有出光窗片50。冷凝换热器和静电除尘器20的出口通过扰流片模块60与进气口连通。

工作原理

本申请实施例提供了一种气体激光器杂质净化装置，由于本申请的气体激光器杂质净化装置设置了放电腔腔体10，该放电腔腔体10为封闭的空心腔体结构，放电腔腔体10开设有排气口11和进气口；冷凝过滤器，该冷凝过滤器包括相互连通的泵体80和冷凝换热器，其中，泵体80用于将排气口11排出的工作气体泵入冷凝换热器内；冷凝换热器用于冷凝分离工作气体内的杂质气体，并将净化后的工作气体由进气口返回放电腔腔体10内。

因此，本申请的气体激光器杂质净化装置利用泵体80将放电腔腔体10内的工作气体通过排气口11泵入冷凝换热器内，进入冷凝换热器的工作气体在冷凝换热器的超低温冷凝作用下，使杂质气体留在冷凝换热器中，进而实现过滤工作气体内的杂质气体，并将净化后的工作气体由进气口返回放电腔腔体10内。冷凝换热器能够过滤直径在纳米级别的杂质气体，这是静电吸附和微颗粒过滤器做不到的。实验证明在激光器系统增加冷凝过滤器，可以使气体寿命、光束质量大大提高。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种气体激光器杂质净化装置，其特征在于，包括：

放电腔腔体（10），所述放电腔腔体（10）为封闭的空心腔体结构，所述放电腔腔体（10）开设有排气口（11）和进气口；

冷凝过滤器，所述冷凝过滤器包括相互连通的泵体（80）和冷凝换热器（70），所述泵体（80）用于将排气口（11）排出的工作气体泵入所述冷凝换热器（70）内；

所述冷凝换热器（70）用于冷凝分离所述工作气体内的杂质气体，并将净化后的工作气体由所述进气口返回所述放电腔腔体（10）内。

2.如权利要求1所述的一种气体激光器杂质净化装置，其特征在于：

所述排气口（11）连接有过滤所述工作气体的气体过滤器（90），经所述气体过滤器（90）过滤后的工作气体依次进入所述泵体（80）和冷凝换热器（70），最终由第一管路（2）进入放电腔腔体（10）内。

3.如权利要求2所述的一种气体激光器杂质净化装置，其特征在于：

所述气体过滤器（90）为气体纯化器。

4.如权利要求1或2所述的一种气体激光器杂质净化装置，其特征在于：

所述冷凝换热器（70）包括依次连接的热交换器、冷头（73）和压缩机（74），所述压缩机（74）配合所述冷头（73）以制冷所述冷头（73），所述冷头（73）与所述热交换器连接以冷凝所述工作气体内的杂质气体。

5.如权利要求4所述的一种气体激光器杂质净化装置，其特征在于：

所述热交换器包括相互贴合的板式换热器（71）和螺旋换热器（72），所述螺旋换热器（72）与所述冷头（73）相互贴合；

所述螺旋换热器（72）包括外壳（77）和位于外壳（77）内的螺旋叶片（78），所述螺旋叶片（78）与外壳（77）之间形成螺旋气流通道（79）；

所述板式换热器（71）设有冷却通道和升温通道，所述冷却通道和升温通道分别与所述螺旋气流通道（79）的入口和出口连通。

6.如权利要求4所述的一种气体激光器杂质净化装置，其特征在于：

所述压缩机（74）为氦气压缩机。

7.如权利要求4所述的一种气体激光器杂质净化装置，其特征在于：

所述冷凝换热器（70）还包括检测所述冷头（73）温度的温度传感器（75），以及与所述温度传感器（75）连接用于实时调节所述压缩机（74）制冷功率的控制器（76），所述温度传感器（75）、所述控制器（76）以及所述压缩机（74）共同作用使得所述冷头（73）保持在设定温度。

8.如权利要求1所述的一种气体激光器杂质净化装置，其特征在于：

还包括与放电腔腔体（10）连通的静电除尘器（20），所述静电除尘器（20）用于净化处理放电腔腔体（10）内的工作气体，并将净化后的工作气体经第二管路（1）返回所述放电腔腔体（10）内。

9.如权利要求1所述的一种气体激光器杂质净化装置，其特征在于：

所述进气口设有两个，两个所述进气口分别位于所述放电腔腔体（10）的两端并对称设置；

所述放电腔腔体（10）的两端设有与所述进气口连通的扰流片模块（60），所述扰流片模块（60）远离所述放电腔腔体（10）的一端设有出光窗片（50）。

10.如权利要求9所述的一种气体激光器杂质净化装置，其特征在于：

所述冷凝换热器（70）的出口通过所述扰流片模块（60）与所述进气口连通。

11.如权利要求1所述的一种气体激光器杂质净化装置，其特征在于：

所述冷凝换热器（70）的工作温度高于放电腔腔体（10）内工作气体的最高冷凝温度，所述冷凝换热器（70）的工作温度低于杂质气体的液化点温度。