CN1510802A - 脉冲预电离高频放电板条气体激光器 - Google Patents

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Abstract

脉冲预电离高频放电板条气体激光器涉及激光器技术。在激光谐振腔内，设有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，且分别与高频交流电源输出端相连。其还可采用高频方波开关电源作为主放电电源和预电离电源；而且主放电电极与预电离电极可以合二为一。本发明放电稳定性好，实现了矩形截面放电区的均匀放电激励，能以高重复率脉冲或连续方式运转，具有输出功率大、重复频率高、小型化等优点。

Description

脉冲预电离高频放电板条气体激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术，特别是涉及一种采用脉冲预电离的高频放电板条气体激光器。
背景技术
大功率气体激光器例如CO2激光器有多种放电激励方式，其中脉冲预电离的直流放电激励(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)是一种很成功的激励方式。采用闸流管脉冲调制器产生的窄脉冲放电作为预电离放电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了主放电的E/P值(电场强度与气压之比值)，使激光器的电光转换效率提高。此外，脉冲预电离对主放电起稳定的作用。预电离放电在放电区内形成均匀的预电离电子密度，使后续的主放电不易起弧，放电均匀稳定。当预电离足够强时，E/P值可以降低到自持放电阈值之下，是为“非自持放电”。参考文献(N.A.Generalov，M.I.Gorbulenko，N.G.Solov’yov，M.Yu.Yakimov，V.P.Zimakov.High-power industrial CO2 lasers excited by a nonself-sustainedglow discharge.In“Gas Lasers-Recent Developments and Future Prospects”edited by W.J.Witteman and V.N.Ochkin.Netherlands：Kluwer AcademicPublishers，1996，323-341)提出采用这种方式建造扩散冷却的板条CO2激光器。板条气体激光器是指放电截面为矩形的一种气体激光器。由于矩形放电的宽高比可以设计得很大，例如10到20，因此可采用“面积放大“原理以提高扩散冷却气体激光器的输出功率。但是脉冲预电离的直流放电方案仍然存在诸多缺陷。其一是在非自持放电条件下注入到激活区的放电能量(或功率)密度较低；其二是尽管脉冲预电离对放电起稳定作用，但是在注入能量(功率)密度较高时仍然难以避免形成弧光。
发明内容
本发明的目的是，提供一种新的气体激光器——脉冲预电离高频放电激励的板条气体激光器。在覆盖着绝缘介质的两个金属平板预电离电极之间加上高重复频率窄脉冲进行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频交流放电作为主放电，从而实现矩形截面放电区的均匀放电激励。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种脉冲预电离高频放电板条气体激光器，由激光谐振腔、电极、绝缘层、脉冲发生器和高频电源等组成。其中，在激光放电腔内，设有上预电离电极和下预电离电极，两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，并分别与高频交流电源输出端相连。
所述的脉冲预电离高频放电板条气体激光器，采用高频方波开关电源作为主放电电源和预电离电源，其频率在1kHz至1MHz之间。
所述的脉冲预电离高频放电板条气体激光器，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。
所述的脉冲预电离高频放电板条气体激光器，主放电电极与预电离电极合二为一。
所述的脉冲预电离高频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。
所述的脉冲预电离高频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，作为一主放电电极；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。
本发明脉冲预电离高频放电板条气体激光器放电稳定性好，能以高重复率脉冲或连续方式运转，具有输出功率大、重复频率高、小型化等优点。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，光化学等领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明脉冲预电离高频放电板条气体激光器的示意图；
图2是本发明的第一实施例；
图3是本发明的第二实施例；
图4是本发明的第三实施例。
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，脉冲预电离高频放电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，高重复率窄脉冲发生器8，高频电源9。板条状预电离电极1和2分别与脉冲发生器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，分别与高频交流电源9的高压端和低压端相连。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，如氧化铝陶瓷或搪瓷，外表面紧密地和外加的金属冷却块相接触，冷却块内通冷却液。也可以直接在预电离电极金属板内部加工冷却槽通以冷却液。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。放电区的气体在放电中产生的热量扩散到管壁，通过高热导率的绝缘层、电极金属板传播到冷却块，由冷却液带走。由于绝缘层很薄(一般100-1000μm)，并且紧密附着在电极的内表面，所以可以使激光器得到充分的冷却，实现大功率激光输出。板条气体激光器也可以做成流动冷却型，其中激光气体在激活区内高速流动将放电产生的热能带走。
相应的预电离脉冲的重复频率可以与主放电相同，也可以不同。但是在二者同步的情况下，对激光放电的稳定性会更好。放电时预电离脉冲电压在放电区形成均匀的等离子体。预电离脉冲很窄，它可以通过绝缘层耦合进入放电区。由于均匀的绝缘层形成均匀分布的电容限流作用，预电离放电不会发生起弧现象。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。预电离之后紧随着是主放电。预电离是垂直于平板方向的，是“横向”放电；主放电平行于平板方向，是“纵向”放电。由于宽高比W/h可以设计的很大，因此横向的预电离的E/P值很高，有利于气体分子的电离，而“纵向”主放电由于有了预电离可以选择较低的E/P值，有利于气体分子激发产生激光。此外，主放电是高频放电，电场不断改变极性，其周期比放电不稳定性开始时间短，放电不易起弧。预电离和高频放电的结合使大的矩形放电区形成均匀稳定的放电得以实现。从而为大功率气体激光器的小型化提供了一条可行、有效的途径。
图2是本发明的第一实施例，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。采用高频方波开关电源作为主放电电源，也作为预电离电源，其频率在1kHz至1MHz之间。加在电极上的方波电压的陡峭上升和下降沿包含了较高的频率分量，容易通过预电离介质层5和6进入放电区，形成主放电之前的预电离放电。由于只采用一个高频方波开关电源使整个系统更加紧凑。
图3是本发明的第二实施例，是图2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2是类似的。
图4是本发明的第三实施例，是一种对称的结构，是图3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3和图4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、一种脉冲预电离高频放电板条气体激光器，由激光谐振腔、电极、绝缘层、脉冲发生器和高频电源组成，其特征在于，在激光放电腔内，设有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，且分别与高频交流电源输出端相连。
2、如权利要求1所述的脉冲预电离高频放电板条气体激光器，其特征在于，采用高频方波开关电源作为主放电电源和预电离电源，其频率在1kHz至1MHz之间。
3、如权利要求2所述的脉冲预电离高频放电板条气体激光器，其特征在于，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。
4、如权利要求2所述的脉冲预电离高频放电板条气体激光器，其特征在于，主放电电极与预电离电极合二为一。
5、如权利要求4所述的脉冲预电离高频放电板条气体激光器，其特征在于，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。
6、如权利要求4所述的脉冲预电离高频放电板条气体激光器，其特征在于，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，作为一主放电电极；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。
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