CN1324771C - 横向激励二氧化碳激光器长脉冲泵浦装置 - Google Patents

Abstract

一种TE-CO₂激光器长脉冲泵浦装置，由两个高压电容充电电源、两个高压放电开关、脉冲形成网络、一个高压贮能电容、一个高压充电二极管、一个高压放电电阻等组成。两个高压充电电源分别用于控制高压贮能电容和脉冲形成网络中贮存的能量，两个高压放电开关分别用于构成放电回路使高压贮能电容和脉冲形成网络中贮存的电能注入TE-CO₂激光器中，从而达到控制TE-CO₂激光器之输出激光脉冲波形，实现各种脉冲宽度尤其是长脉冲(脉冲宽度几微秒至上百微秒)的激光输出。该装置结构简单、易于建造、容易控制。采用这种泵浦装置的TE-CO₂激光器可在激光加工、激光雷达中得到应用。

Description

横向激励二氧化碳激光器长脉冲泵浦装置

技术领域

本发明涉及一种激光器脉冲泵浦，具体地涉及一种横向激励二氧化碳激光器长脉冲泵浦装置。

背景技术

横向激励(Transversely Excited)二氧化碳激光器(以下简称：TE-CO₂激光器)是20世纪七十年代发展起来的一种CO₂激光器。这种激光器由于其输出峰值功率高、脉冲能量大、可以高重复频率工作的优点，在工业加工、国防军工等领域有一定的应用。

典型的TE CO₂激光器基本结构如图1所示。包含激光器外壳1、一对主放电电极2、主放电电极高压输入3、预电离火花列阵4、主放电电极接地端5、热交换器6、风机7、导流风道8等。这种激光器的典型泵浦电路装置如图2所示，由一个贮能电容器Cs、一个高压开关G和一个旁路电阻(或电感)Rp组成。高压电源用于给贮能电容Cs充电。充电结束，高压开关G适时导通，贮能电容Cs中的电能通过高压开关G注入激光工作气体中，形成激光输出。典型的输出激光脉冲波形如图3所示，为一个脉宽小于100ns的尖峰加一个长度为1～2us的拖尾，其中拖尾的能量约占激光总能量的30～50％。

从图2可以看出，通常TE-CO₂激光器的泵浦装置主要是由一个高压放电开关和一个贮能电容组成。产生激光的能量全部来源于贮能电容器中的能量。激光器的输出波形基本上是激光器本身的特性，与贮能电容Cs的大小以及充电电压的高低关系不大。

因此，已有的技术中，一个TE-CO₂激光器的输出激光脉冲的宽度几乎是不变的，激光脉冲波形的形状也几乎是不可控制的。这使得这种激光器在一些应用中受到限制。在一些应用场合，需要脉冲能量大、脉冲宽度宽(如几十微秒)的激光，采用如图2所示的泵浦装置是不可能的。

为了在TE-CO₂激光器中获得长脉冲激光输出，也有人尝试将图2中的电容Cs换成脉冲形成网络(请参考Y.Okita，K.Yasuoka，et al，“Long-pulse，high repetition rate transversely excited CO₂ laser for materialprocessing”，SPIE Vol.2118，1994：22-11)，并获得了长脉冲激光输出。但是，这种做法对激光器的设计要求严格，而且只适用于激光工作气体气压较低的情形，不适用于较高气压的TE-CO₂激光器(即TEA CO₂激光器)，因此，具有局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TE-CO₂激光器的长脉冲泵浦装置。本发明的泵浦装置，可以控制TE-CO₂激光器的输出脉冲宽度和形状，获得几微秒甚至上百微秒的长脉冲激光输出。

为实现上述目的，在本发明提供的TE-CO₂激光器长脉冲泵浦装置中，采用将产生激光的能量分成两部分及采用两个高压放电开关等措施，实现了对TE-CO₂激光器输出脉冲波形的控制。

因为在通常的TE-CO₂激光器泵浦装置中，产生激光的能量来自于一个贮能电容器，并且是一次性注入激光器的。因此，激光脉冲的波形由激光本身的特性(如工作气体组成、气压、谐振腔长度等等)决定，而与注入能量的大小关系不大。而本发明将激励TE-CO₂激光器的能量分成两部分，一部分由贮能电容Cs提供，另一部分由一个脉冲形成网络提供，从而达到控制TE-CO₂激光器的输出激光脉冲波形的目的。

具体地说，本发明的TE-CO₂激光器长脉冲泵浦装置主要由两个高压电容充电电源、两个高压放电开关、脉冲形成网络(Pulse FormingNetwork-PFN)、一个贮能电容、一个旁路电阻和一个高压充电二极管等组成。本发明通过控制两个高压电源充电时间和充电电压、两个高压开关的导通方式以及选择合适的脉冲形成网络参数，可以使所激励的TE-CO2激光器的输出激光脉冲波形得到控制，实现脉冲宽度达几微秒至几十微秒的激光输出。

附图说明

图1为TE-CO₂激光器基本结构示意图。

图2为典型的TE-CO₂激光器的泵浦电路示意图。

图3为典型的TE-CO₂激光器脉冲波形示意图。

图4为本发明TE-CO₂激光器长脉冲泵浦装置示意图。

图5为本发明TE-CO₂激光器长脉冲输出波形示意图。

图6为本发明脉冲宽度可切换的TE-CO₂激光器长脉冲泵浦装置示意图。

具体实施方式

请参阅图4，为本发明TE-CO₂激光器长脉冲泵浦装置示意图。图4中CCPS1和CCPS2为采用恒流方式充电的高压电容充电电源(为叙述方便，分别称这两个高压电容充电电源为A和B)，G1和G2为高压放电开关(为叙述方便，分别称这两个高压放电开关为C和D)，Cs为高压贮能电容，D1为高压充电二极管，Rp为激光器放电旁路电阻，Li，Ci(i＝1，2，...，n)为组成脉冲形成网络的电感和电容。

本发明的电路连接是：高压电容充电电源CCPS1的高压输出端与贮能电容Cs的一端及高压放电开关G1的阳极相连接；贮能电容Cs的另一端连接至TE-CO₂激光器主放电电极高压输入端；高压充电二极管D1的阳极及激光器放电旁路电阻Rp的一端与TE-CO₂激光器主放电电极高压输入端相连接；高压充电二极管D1的阴极及激光器放电旁路电阻Rp的另一端则与TE-CO₂激光器主放电电极接地端相连接，亦即高压充电二极管D1和激光器放电旁路电阻Rp均与TE-CO₂激光器并联。高压电容充电电源CCPS2的高压输出端与脉冲形成网络中电容C1的一端(可称为脉冲形成网络的输入端)及高压放电开关G2的阳极相连接；脉冲形成网络中电感L1的一端(可称为脉冲形成网络的输出端)连接至TE-CO₂激光器主放电电极高压输入端；两个高压电容充电电源(CCPS1和CCPS2)的高压输出接地端和两个高压放电开关(G1和G2)的阴极均通过导线连接至TE-CO2激光器主放电电极接地端，并连接至安全地线。

在图4中的脉冲形成网络中，所有的电感值、电容值一般相等，即L₁＝L₂＝...＝Ln，C₁＝C₂＝...＝Cn，其中，n为整数，且n≥4。脉冲形成网络的特性阻抗按下式(1)计算：

$Z_{\mathrm{pfn}}=\sqrt{\frac{L_i}{C_i}}---\left(1\right)$

脉冲形成网络的时间宽度按下式(2)计算：

$T=2\·n\·\sqrt{L_i\·C_i}---\left(2\right)$

其中脉冲形成网络中电感、电容大小的选择要根据TE-CO₂激光器的放电阻抗和所需要的激光脉冲宽度来决定。理论要求两者阻抗相等，即：

Z_pfn＝Z_laser                             (3)

实际设计工作中，要求脉冲形成网络的特征阻抗略大于激光器的放电阻抗，一般取：

Z_pfn＝(110％～130％)·Z_laser。           (4)

采用本发明的长脉冲泵浦装置，可以使TE-CO₂激光器的输出脉冲可以变成如图5所示的长脉冲形式。在图5中，激光脉冲尖峰后的“隆起”成了整个脉冲能量的主要部分，与图3给出的典型TE-CO₂激光器脉冲波形不同，图3中所示的激光能量几乎是均分于尖峰和拖尾中。

采用本发明的长脉冲泵浦装置，TE-CO₂激光器脉冲波形可以灵活控制。两部分能量中，贮能电容Cs中的能量主要贡献在脉冲的尖峰部分，脉冲形成网络的能量则对脉冲的“隆起”部分起作用，因此，只要控制脉冲形成网络上的充电电压(即脉冲形成网络中的能量)，就可以控制激光脉冲波形中“隆起”部分的幅度。例如，图4中高压开关G2不导通时，本发明的长脉冲泵浦装置回归图2中典型的TEA CO₂激光器泵浦装置。因此，本发明的泵浦装置实际上包含了图2所给出的装置，通用性更好。

作为本发明的一个扩展，可以设计出图6所示的泵浦装置。图6中，所有脉冲形成网络(PFN1、PFN2、...PFNn)的特征阻抗相同，但脉冲宽度(由公式2计算)不同。切换开关(SW)的作用是在不同的脉冲形成网络之间切换，但一次只允许一个脉冲形成网络接通。这样，使一台TE-CO₂激光器可以输出具有不同脉冲宽度的激光脉冲。另外，因为高压充电电源CCPS1和CCPS2采用恒流充电，可控性好，在开关切换的过程中，可以使切换开关(SW)上没有电流和电压，实现零电压零电流开关，既安全又切换方变。

综上所述，本发明提供的TE-CO₂激光器的泵浦装置，通过将泵浦激光器的能量分布一个贮能电容和一个脉冲形成网络，实现了对TE-CO₂激光器输出脉冲波形的控制，使通常的TE-CO₂激光器可以输出几微秒至上百微秒的脉冲激光。采用本发明，可以在不改动TE-CO2激光器的光学系统和机械结构的前提下，使其输出具有不同脉冲宽度的激光脉冲波形。

Claims (9)

1.一种横向激励二氧化碳激光器长脉冲泵浦装置，由高压电容充电电源A和高压电容充电电源B、高压放电开关C和高压放电开关D、脉冲形成网络、贮能电容、TE-CO₂激光器放电旁路电阻和高压充电二极管组成，其中：

高压电容充电电源A的高压输出端与贮能电容的一端及高压放电开关C的阳极相连接；贮能电容的另一端连接至TE-CO₂激光器主放电电极高压输入端；高压充电二极管的阳极及TE-CO₂激光器放电旁路电阻的一端与TE-CO2激光器主放电电极高压输入端相连接；高压充电二极管的阴极及TE-CO₂激光器放电旁路电阻的另一端则与TE-CO₂激光器主放电电极接地端相连接；

高压电容充电电源B的高压输出端与脉冲形成网络输入端及高压放电开关D的阳极相连接；脉冲形成网络的输出端连接至TE-CO₂激光器主放电电极高压输入端；高压电容充电电源A和高压电容充电电源B的高压输出接地端以及高压放电开关C和高压放电开关D的阴极均连接至TE-CO₂激光器主放电电极接地端；

所述脉冲形成网络中的电感值相等；

所述脉冲形成网络中的电容值相等。

2.权利要求1的泵浦装置，其特征在于，接地端接有安全地线。

3.权利要求1的泵浦装置，其特征在于，泵浦装置中用的高压电容充电电源为恒流方式充电，其允许充电时间、禁止充电时间和充电电压为可控。

4.权利要求1的泵浦装置，其特征在于，两个高压放电开关为互相独立，其导通起始时间分别可控。

5.权利要求1或4的泵浦装置，其特征在于，高压放电开关为高压闸流管、高压触发管或高压球隙。

6.权利要求1的泵浦装置，其特征在于，泵浦装置中的脉冲形成网络其特性阻抗和TE-CO₂激光器放电阻抗相匹配。

7.权利要求1的泵浦装置，其特征在于，泵浦装置中的旁路电阻为非纯阻性。

8.权利要求1的泵浦装置，其特征在于，泵浦装置中具有多个不同脉冲宽度的脉冲形成网络用于一个TE-CO₂激光器，通过切换开关控制，使TE-CO2激光器输出不同的激光脉冲宽度。

9.权利要求8的泵浦装置，其特征在于，切换开关一次只接通一个脉冲形成网络。

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