CN1265517C - 高重复率脉冲放电板条气体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光器技术，特别是涉及一种高重复率脉冲放电板条气体激光器。本发明的激光器在激光放电腔内设有内通冷却液的上预电离电极和下预电离电极，两电极内表面附有绝缘层，且上预电离电极和下预电离电极分别与预电离脉冲发生器电连接；两主放电电极分别置于上预电离电极和下预电离电极的两侧，且分别与主放电脉冲发生器的输出端相连；两者之间采用延迟器控制。本发明可满足应用中对高脉冲峰值功率和高平均功率的需要。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术，特别是涉及一种高重复率脉冲放电板条气体激光器。
背景技术
脉冲预电离的非自持直流放电是一种很成功的激励方式，可用于产生连续波激光输出(参考文献：N.A.Generalov，M.I.Gorbulenko，N.G.Solov’yov，M.Yu.Yakimov，V.P.Zimakov.High-power industrial CO2 lasersexcited by a nonself-sustained glow discharge.In“Gas Lasers-RecentDevelopments and Future Prospects”edited by W.J.Witteman and V.N.Ochkin.Netherlands：Kluwer Academic Publishers，1996，323-341)。该方案是采用闸流管脉冲调制器产生的窄脉冲作为预电离放电电压，在激光气体媒质中产生足够的预电离电子浓度，然后用直流放电作为主放电。脉冲预电离的作用是降低主放电的E/P值，使激光器的电光转换效率提高。此外，脉冲预电离放电在放电区内形成均匀的预电离电子密度，对主放电起稳定的作用。激光器采用对流冷却方式，可以获得很高的连续输出功率。
近年来，采用射频激励技术的面积放大型扩散冷却CO2激光器由于其输出功率与扩散冷却的面积成正比，且免去了对流冷却中使用的笨重的风机，结构非常紧凑，因而成为新一代极具竞争力的激光器，在工业上应用日益广泛。但迄今为止，扩散冷却的板条CO2激光器都是以连续或调制脉冲的形式运转，难以脉冲方式运行。脉冲激光器由于具有高的脉冲峰值功率，在很多方面有着不可替代的作用。在军事上，激光雷达、激光探测、激光干扰致盲等都需要一定重复频率的脉冲激光。在激光加工中的许多特殊工艺也需要高的脉冲峰值功率。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型气体激光器——高重复频率脉冲放电板条气体激光器。在覆盖着绝缘介质薄层的两个金属平板预电离电极之间采用高重复频率横向脉冲预电离放电，在与平板平行方向上的主放电电极之间采用高重复频率脉冲主放电，从而在矩形截面放电区实现均匀脉冲放电激励。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种预电离电极采用冷却液冷却的高重复频率脉冲放电板条气体激光器，由激光谐振腔、预电离电极、主放电电极、绝缘层、高重复频率预电离脉冲发生器、高重复频率主放电脉冲发生器、脉冲延时器等组成。其中，在激光放电腔内，设有内通冷却液以实现扩散冷却的上预电离电极和下预电离电极。也可采用附加的内通冷却液的冷却块与电极紧密接触实现电极的冷却。上预电离电极和下预电离电极内表面附有绝缘层，且上预电离电极和下预电离电极分别与预电离脉冲发生器电连接；两主放电电极分别置于上预电离电极和下预电离电极的左右两侧，并分别与主放电脉冲发生器的两输出端相连。主放电脉冲发生器的发生时间相对于预电离脉冲发生器有延迟，通过脉冲延时器控制。
所述的高重复率脉冲放电板条气体激光器，能采用扩散冷却，也可采用对流冷却。在后一种情形，气体在增益区高速流动，将放电中产生的热量带走。
所述的高重复率脉冲放电板条气体激光器，其预电离脉冲发生器有三种类型：一是闸流管脉冲电源；二是脉冲开关电源；三是晶闸管脉冲电源。
所述的高重复率脉冲放电板条气体激光器，其主放电脉冲发生器有三种可选电路。一是闸流管控制的脉冲形成网络放电电路，在简化的情况下，脉冲形成网络可以是一个单电容；二是晶闸管控制的脉冲形成网络放电电路；三是脉冲开关电源。
所述的高重复率脉冲放电板条气体激光器，其脉冲延时器也可以是依靠分布电容充电延迟。属于自动延迟电路。
所述的高重复率脉冲放电板条气体激光器，一主放电电极与上预电离电极相连，另一主放电电极与下预电离电极相连。
所述的高重复率脉冲放电板条气体激光器，主放电电极与预电离电极合二为一。
所述的高重复率脉冲放电板条气体激光器，在激光放电腔内，设有上电极和下电极，上电极的右(或左)部覆盖绝缘层，下电极的左(或右)部覆盖绝缘层，上电极和下电极未覆盖部分作为两主放电电极，覆盖部分作为两预电离电极。
所述的高重复率脉冲放电板条气体激光器，在激光放电腔内，设有上电极和下电极，上电极的左右两部分覆盖绝缘层，作为上预电离电极，中间一小部分未覆盖，作为高压主放电电极；下电极的中间部分覆盖绝缘层，作为下预电离电极，两边留出小部分未覆盖，作为另一接地主放电电极。
所述的高重复率脉冲放电板条气体激光器，其重复频率可从单脉冲至100kHz。
本发明高重复率脉冲放电板条气体激光器可采用扩散冷却，也可采用对流冷却。在扩散冷却情况下，可以充分展现板条激光器面积放大，易小型化的优点。高重复率脉冲板条激光器能同时满足应用中对高脉冲峰值功率和高平均功率的需要，适用于二氧化碳激光器，一氧化碳激光器等多种气体激光器，在激光加工，激光探测，激光雷达，光化学等领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明高重复率脉冲板条气体激光器示意图；
图2是本发明的第一至第三实施例示意图；
图3是本发明的第四实施例；
图4是本发明的第五实施例；
图5是本发明的第六实施例；
图6是本发明的第七实施例。
具体实施方式
为进一步说明本发明的特征及结构，以下结合附图对本发明作详细描述。
请参阅图1，高重复率脉冲板条气体激光器包括上预电离电极1和下预电离电极2，主放电电极3和4，绝缘层5和6，激光谐振腔7，高重复频率预电离脉冲发生器8，高重复频率主放电脉冲发生器9，脉冲延时器10。板条状预电离电极1和2分别与预电离脉冲发生器8的高压端和低压端相连。主放电电极3和4位于预电离电极两侧，分别与主放电脉冲发生器9的高压端和低压端相连。预电离脉冲发生器8与主放电脉冲发生器9通过一脉冲延时器10相连。预电离电极的内表面紧密地附着有高热导率的绝缘层5、6，绝缘层材料为氧化铝陶瓷或搪瓷。预电离电极金属板内部加工有冷却槽，通以冷却液进行扩散冷却。上、下预电离电极之间的区域即为激光器的放电区。预电离电极的宽度W与它们之间的间隙h之比W/h定义为激光器放电区的“宽高比”。宽高比可以在2到30之间改变。在高重复频率脉冲放电中产生的热量可以迅速扩散到管壁，通过高热导率的绝缘层传播到电极金属板，再由冷却液带走。由于绝缘层很薄(一般200-800μm)，并且紧密附着在电极的内表面，所以可以在一定的注入功率范围内使激光器得到充分的冷却。
放电时，预电离脉冲电压在放电区形成均匀的等离子体，有利于形成大面积的矩形截面的均匀放电，并且降低了主放电的E/P值。预电离脉冲很窄，它可以通过绝缘层耦合进入放电区。绝缘层在这里的作用一是防止直流横向激励，二是作为横向脉冲预电离放电的分布式阻抗，使横向预电离放电均匀。预电离放电之后经过一定的延迟时间(时间长短由延时器控制，一般为几十纳秒至几微妙)，主放电才发生。每一主放电电压脉冲产生一个激光脉冲，而且由于预电离的存在，主放电E/P值较低，有利于气体分子激发到高能态，从而提高激光器的转换效率。
图2是本发明的第一实施例，其中主放电为闸流管控制脉冲形成网络放电。预电离放电也采用闸流管脉冲发生器。
本发明的第二实施例参看图2，其中预电离脉冲放电采用窄脉冲开关电源或晶闸管脉冲发生器。
本发明的第三实施例参看图2，其中主放电为晶闸管控制的脉冲形成网络放电，预电离可采用闸流管脉冲电源、脉冲开关电源或晶闸管脉冲电源。
图3为本发明的第四实施例，其中主放电电路为电容脉冲放电。电容脉冲放电是脉冲形成网络的特殊情形。
图4是本发明的第五实施例，其中主放电电极3与预电离电极1电相连，主放电电极4与预电离电极2电相连。采用电容脉冲放电电源作为主放电电源，也作为预电离电源。电容脉冲放电电压有陡直的上升沿，其包含的高频成分容易通过预电离电极的绝缘介质层5和6形成的分布电容进入放电区。这是一种自动延迟方式。由于只采用一个放电电源而使激光器系统进一步简化。
图5是本发明的第六实施例，是图4的进一步简化和改进。其中，主放电电极与预电离电极合二为一。上电极1的右部覆盖绝缘介质层5，下电极2的左部覆盖绝缘介质层6，未覆盖部分作为主放电电极3、4，覆盖部分作为预电离电极。其工作原理与图4是类似的。
图6是本发明的第七实施例，是一种对称的结构，是图5的延伸。其中上电极1的左右两部分覆盖绝缘层5，作为预电离电极。中间一小部分未覆盖，作为高压主放电电极3。下电极2中间部分覆盖绝缘层6，作为预电离电极。两边留出小部分未覆盖，作为接地主放电电极4。这种激光器结构简单、紧凑，而且两端的地电位有利于激光器的整体设计。在图5和图6结构中激光器的谐振腔可以平行于主放电方向，也可以垂直于主放电方向，后者也可称为“交叉放电”。
Claims (6)
1.一种高重复率脉冲板条气体激光器，由激光谐振腔、预电离电极、主放电电极、绝缘层、高重复频率预电离脉冲发生器、高重复频率主放电脉冲发生器、延时器组成，其特征在于，在激光放电腔内，设有内通冷却液的上预电离电极和下预电离电极；上预电离电极和下预电离电极内表面附有绝缘层，且上预电离电极和下预电离电极分别与预电离脉冲发生器电连接；两主放电电极分别平行置于上预电离电极和下预电离电极的左右两侧，且分别与主放电脉冲发生器的输出端相连；主放电脉冲发生器和预电离脉冲发生器之间采用延迟器控制。
2.如权利要求1所述的高重复率脉冲板条气体激光器，其特征在于，采用扩散冷却或对流冷却。
3.如权利要求1所述的高重复率脉冲板条气体激光器，其特征在于，主放电为闸流管控制脉冲形成网络放电；预电离放电采用闸流管脉冲发生器。
4.如权利要求1所述的高重复率脉冲板条气体激光器，其特征在于，预电离脉冲放电采用窄脉冲开关电源或晶闸管脉冲发生器。
5.如权利要求1所述的高重复率脉冲板条气体激光器，其特征在于，主放电为晶闸管控制的脉冲形成网络放电。
6.如权利要求1所述的高重复率脉冲板条气体激光器，其特征在于，其中一主放电电极与上预电离电极电相连，另一主放电电极与下预电离电极电相连。
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