CN1292588A - 针条电极脉冲预电离横流二氧化碳激光器放电腔 - Google Patents

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Abstract

一种针条电极脉冲预电离横流二氧化碳激光器放电腔,放电腔内的阳极是由排成一列相互绝缘的嵌于绝缘板上的阳极条构成。预电离电极是由与阳极条一一相对应排成一列的脉冲预电离针构成。阴极是由与阳极条和脉冲预电离针一一相对应排成一列或多列的阴极针构成。阴极针和脉冲预电离针的针头指向阳极条。尾部插入装有流动液体的液槽内。两针的尾端与两接线柱之间由液体电阻联结。具有注入功率大,输出激光功率高的特点。

Description

针条电极脉冲预电离横流二氧化碳激光器放电腔
本发明是一种针条电极脉冲预电离横流二氧化碳(CO2)激光器放电腔,用于提高横流CO2激光器的性能价格比。
高功率横流CO2激光器在钢铁、石油、汽车制造等行业获得广泛应用。其主要优点在于其连续输出和重复脉冲输出功率高,平均功率一般在千瓦-万瓦之间,也可获得更高功率输出。从第一台横流CO2激光器诞生至今卅多年来,科学家一直致力于放电电极结构的改进,不断谋求在单位激活体积内获得更多的电功率注入,在电光效率基本一致(通常在10%~20%之间)的情况下,从而获得更高的激光功率输出。横流CO2激光器的市场价格往往与其功率成比例。由于电极结构的造价与整台激光器的价格相比较,只占较少的比例,但电极结构改进的成功有时会获得成倍的激光输出功率的增加,或连续密封运转寿命的提高,使该器件的性能价格比获得大幅度提高。
在先技术1中,中国科学院上海光学精密机械研究所在专利ZL89106601.2中,提供一种脉冲预电离管一条电极。主要由水冷铜管阴极、条状铜阳极、直流电源、镇流电阻、预电离针、脉冲电源、隔直电容和直流滤波电感等组成。它可以保证激光器在工作气压高和气体流速大的条件下,获得稳定的均匀辉光放电,激光器的输出功率和工作寿命虽然较在它前面的有了提高,但由于受到放电电极结构上的限制,很难做到再大幅度地提高激光器的输出功率。在先技术2中,专利ZL99252127.0提供一种大能量宽脉宽的二氧化碳激光器,激光器的输出功率虽有较大的提高,但要想再提高注入功率和激光输出功率是比较困难的。
本发明的目的在于克服在先技术的不足,进一步增大横流CO2激光器的电功率注入,从而获得更高的激光功率输出,提供一种新型的针条电极脉冲预电离横流CO2激光器放电腔。
本发明的针条电极脉冲预电离横流二氧化碳激光器的放电腔,如图1所示。包括在放电腔16内置有流动的气体激光工作物质1601,由谐振腔腔镜1101构成的光学谐振腔11,放电腔16内的放电方向μ与气体激光工作物质1601流动方向υ以及光学谐振腔11的光轴O三个方向相互垂直成正交的x,y,z方向。放电腔16内,置于气体激光物质1601中有排成一列相互绝缘的嵌于由耐高温绝缘材料构成的绝缘板802上的阳极条801。与阳极条801一一相对应地置于气体激光工作物质1601流动方向υ上游的排成一列的脉冲预电离针7。
脉冲预电离电极接线柱3通过耦合电容4、预电离电源5、隔直电容6与连接在阳极条801上的限流电阻9相联,构成脉冲预电离回路。阴极接线柱1通过直流电源12和滤波电感10与连接在阳极条801上的限流电阻9相联,构成主放电回路。
本发明的放电腔16内的阴极是由针状的阴极针13排成列而构成。具体的构成是有阴极针13与阳极条801和脉冲预电离针7一一相对应的并与排成一列的脉冲预电离针7平行排成列。阴极针13和脉冲预电离针7的针头指向阳极条801沿长度方向的中轴位置上。阴极针13和脉冲预电离针7的尾部插入绝缘体2上的液槽201中。所说的阴极接线柱1是置于插入阴极针13的液槽201底部。所说的脉冲预电离电极接线柱3是置于插入脉冲予电离针7的液槽201底部。绝缘体2上的液槽201带有进液口202和出液口203,液槽201里装有流动的液体1501。如图3所示。在液槽201口,阴极针13和脉冲预电离针7的周围有密封层14。密封层14一方面防止液体流出,另一方面也使两针固定。在液槽201里的液体1501内,阴极针13与阴极接线柱1之间以及脉冲预电离针7与脉冲预电离电极接线柱3之间由液体1501构成液体电阻1502联结。如图1、图2所示。
所说的液槽201里装有的液体1501是碳酸钾溶液,或是碳酸钠电解质溶液,或是其他弱酸溶液,或是弱碱溶液。
所说的排成列的阴极针13的列数n≥1。
本发明针条电极脉冲预电离横流二氧化碳激光器放电腔电极结构如上述图1所示。在气体放电腔内气体流动方向、阴阳极放电方向和光学谐振腔光束传播方向三轴正交。所说的阴极接线柱1由铜、铝等导电体构成。所说的绝缘体2由耐温绝缘材料构成;所说的脉冲预电离电极接线柱3由铜、铝等导电体构成,所说的脉冲预电离电源5带有耦合电容4和隔直电容6。所说的脉冲预电离针7由Φ1~2mm的紫铜,或黄铜或钨针构成,脉冲预电离针7处于气体辉光放电的上游,所说的阳极条801由黄铜,或紫铜条构成,每条阳极条801的长度为40~60mm,其宽度在10~20mm之间,每个阳极条801之间的间隔在3~6mm之间,阳极条801嵌于绝缘板802上,排成一列形成同一平面。所说的阳极条801连接的限流电阻9的电阻值一般取1kΩ~10kΩ之间。直流电源12带有作为滤波电感10的高频扼流圈。由谐振腔腔镜1101构成的光学谐振腔11如图1所示的方向O。放电腔16内气体激光工作物质1601流动方向如图1中箭头υ所示,垂直于放电方向μ和光束传播光轴O的方向,气体激光工作物质1601为混合气体,流速一般在20~70米/秒之间。阴极针13由Φ2~4mm的不锈钢、可紫铜,或黄铜等电极材料制成。脉冲预电离针7、阴极针13与阳极条8形成一一对应关系,阴极针13的列数n可以由一列或多列构成,列与列之间的距离在5~15mm之间。一般来讲多列针放电注入电功率优于单列针,但结构的复杂性加大。脉冲预电离针7和阴极针13由密封圈或密封胶构成一层密封层14将其尾部固定于液槽201内。液体1501为碳酸钾溶液时,其液体电阻1502的电阻值由碳酸钾溶液的浓度和阴极针13与阴极接线柱1之间的距离来决定。所说的液体电阻1502是由流动的液体构成,如图3所示,液槽201带有进液口202和出液口203,也就是液槽201里的液体1501是流动的,所以液体电阻1502起到限流电阻和冷却电极的双重作用。
脉冲预电离针7和阴极针13的针头指向阳极条801,而且脉冲预电离针7和阴极针13两者针头顶端与阳极条801之间是等距离的,二者距离d通常在20mm~80mm之间,取决于横流CO2激光器混合气体压力P(一般是CO2、N2、He、CO等混合气体),一般情况下Pd值为一相对值,通常为Pd<3000mm·mmHg(≈400mm·kpa)。脉冲预电离针7和阴极针13尾端浸泡在液体中,如果液体为碳酸钾(K2CO3)溶液时,溶液1501的浓度约每升自来水中加0.05g→0.5g,浓度值决定了每个预电离脉冲针7和每个阴极针13的等效限流电阻值,K2CO3溶液由循环冷却系统使其处于流动状态,同时对脉冲预电离针7和阴极针13起到冷却作用。脉冲预电离针7和阴极针13与电极接线柱3和1之间的距离可调节,等效于调节限流电阻值大小。
放电回路如上述和图1所示,每个阳极条801连接有限流电阻9,电阻值在1~10kΩ左右。脉冲预电离回路通过耦合电容4和隔直电容6提供重复频率3~10kHz的重复脉冲,脉冲宽度在100~500毫微秒之间,脉冲峰值电压在3~6kV之间,脉冲预电离在放电区内气体激光工作物质1601流动方向υ上游提供了主放电区所需的预电离放电的气体激光工作物质1601,流向下游,为主放电提供了初始的电子和离子。主放电回路由直流电源12,通过滤波电感10和限流电阻9提供阳极条801正高压(在数千伏量级),同时通过阴极接线柱1和液体电阻1502提供阴极针13负电压,则阴极针13与阳极条801之间产生主放电,形成均匀辉光放电的主放电区。
本发明的优点:本发明与在先技术中专利ZL89106601.2和ZL99252127.0所采用的管一条电极结构相比较,采用本发明的放电腔结构所注入放电区的电功率明显增加,增加近1.5倍。从而输出激光功率也提高了1.5倍。
附图说明:
图1为本发明的针条电极脉冲预电离横流CO2激光器放电腔结构的横向剖视的示意图。
图2为图1阴极和脉冲预电离针7在A-A方向的剖视示意图。
图3为图1阴极和脉冲预电离针7在B-B方向当阴极针13的列数n=3时的剖视示意图。
图4为本发明的脉冲预电离针7和三列阴极针13排列结构的部分立体示意图。
实施例:
如图1所示的结构,在中国科学院上海光学精密机械研究所五千瓦横流CO2激光器上实施。本实施例的CO2激光器采用双轴流风机(转速8000转/分),双放电通道,Π型折迭腔。如图1所示的放电区,分内外两侧。阳极条801长度为50mm,阳极条801的宽度为15mm,阳极条801条与条之间相互间隔为5mm,阳极条801嵌于耐高温绝缘材料构成绝缘板802之中,排列成同一平面的列。每个放电区有57个阳极条801,有效放电长度为1140mm。与每个阳极条801一一对应的是:脉冲预电离针7为Φ1mm紫铜针所制成,阴极针13的列数n=3,如图3、图4所示,每根阴极针13为Φ3mm不锈钢针,脉冲预电离针7和阴极针13进入放电区的长度为10mm,每列针之间的间隔为10mm,用作液体电阻1502的液体1501为K2CO2溶液,其浓度为0.15克/升水,如图1所示的脉冲预电离针7和阴极针13针头正好指向阳极条801沿长度方向的中轴位置上。
在放电区内气体激光工作物质1601的流速为60米/秒情况下,阴极针13针头到阳极条801平面的距离d为50mm,大体积均匀辉光放电的工作气压高达105mmHg(14kPa)。在较佳工作气压(80mmHg)时,注入放电区的电功率高达86kW,激光输出光功率高达9.5kW,比在先技术中管一条电极预电离放电结构高出1.5倍。

Claims (3)

1.一种针条电极脉冲预电离横流二氧化碳激光器放电腔,包括:
<1>在放电腔(16)内置有流动的气体激光工作物质(1601),由谐振腔腔镜(1101)构成的光学谐振腔(11),放电腔(16)内电极之间的放电方向(μ)与气体激光工作物质(1601)流动方向(υ)以及光学谐振腔(11)光轴(O)三方向相互垂直成正交的x,y,z方向;
<2>放电腔(16)内,置于气体激光工作物质(1601)中有排成一列相互绝缘的嵌于绝缘板(802)上的阳极条(801),与阳极条(801)一一相对应地置于气体激光工作物质(1601)流动方向上游的排成一列的脉冲预电离针(7);
<3>脉冲预电离电极接线柱(3)通过耦合电容(4),预电离电源(5),隔直电容(6)与连接在阳极条(801)上的限流电阻(9)相联构成脉冲预电离回路,阴极接线柱(1)通过直流电源(12)和滤波电感(10)与连接在阳极条(801)上的限流电阻(9)相联构成主放电回路;
其特征在于:
<4>有与阳极条(801)和脉冲预电离针(7)一一相对应的并与排成一列的脉冲予电离针(7)平行排成列的阴极针(13);
<5>阴极针(13)和脉冲预电离针(7)的针头指向阳极条(801)沿长度方向中轴的位置上,阴极针(13)和脉冲预电离针(7)的尾部插入绝缘体(2)上的液槽(201)中;
<6>所说的脉冲预电离电极接线柱(3)是置于插入脉冲预电离针(7)的液槽(201)底部,所说的阴极接线柱(1)是置于插入阴极针(13)的液槽(201)底部;
<7>绝缘体(2)上的液槽(201)带有进液口(202)和出液口(203),液槽(201)里装有流动的液体(1501),在液槽(201)口阴极针(13)和脉冲预电离针(7)的周围有密封层(14);
<8>在液槽(201)里的液体(1501)内,阴极针(13)与阴极接线柱(1)之间以及脉冲预电离针(7)与脉冲预电离电极接线柱(3)之间由液体(1501)构成液体电阻(1502)联结。
2.根据权利要求1所述的针条电极脉冲预电离横流二氧化碳激光器放电腔,其特征在于所说的液槽(201)里的液体(1501)是碳酸钾溶液,或是碳酸钠电解质溶液,或是其他弱酸溶液,或是弱碱溶液。
3.根据权利要求1所述的针条电极脉冲预电离横流二氧化碳激光器放电腔,其特征在于所说的排成列的阴极针(13)的列数n≥1。
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