CN201440565U - 气体放电激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种气体放电激光器。包括壳体，在壳体内安装的一对与电源相连的整体式加长主电极，电极工作面构成大量放电区；其中每个主电极侧表面旁边安装有一个紫外线预电离装置，所述装置与相对电极之间的距离大于主放电电极工作面之间的距离。本实用新型的目的是设计出在高频重复脉冲模式下有效工作的气体放电横向激发激光器。

Description

气体放电激光器

技术领域

本发明涉及量子电子学范畴，更具体而言，涉及气体放电横向激发激光器，如受激准分子、氮气、CO₂激光器。

发明背景

美国专利案号4240044的横向激发激光器是熟知的。在此设备里，电晕放电预电离装置靠近其中一个主电极的侧面，其与相对电极的距离大于主放电电极工作面之间的距离。预电离装置仅能照亮放电间隙的一部分以及一个相对放电主电极的表面，这就无法获取稳定放电。

美国专利案号6546036的横向激发激光器也是熟知的。其中，电晕预电离装置安装在放电电极内。因为主电极的工作表面由相互分隔的几部分组成，主电极之间的抽运放电就变得不均匀和不稳定，因此不能保证高质量的激光。

俄罗斯专利申请案号2007100984的横向激发激光器电极设备也众所周知。该设备电晕放电预电离装置的内部电极由导体连接，这使得无须通过气体放电舱壳体进行高压输入而实现激光混合气体预电离。

日本专利申请案号2004186310的高频重复脉冲激光器也享誉全球。该激光器电晕放电预电离装置位于由各整体电极构成的放电间隙的四面。但是预电离装置位于气流区，增加了气流的阻力。高速流动的气体组成了局部涡流，并扩展到抽运放电区域。这就阻碍了激光器在高频重复脉冲状态下稳定工作。预电离装置直接安装在靠近电极的气流区会导致主电极通过预电离装置发生寄生击穿故障。此外，因为预电离装置靠近由放电主电极组成的主放电间隙，其间的电场由于预电离装置的存在而扭曲，这就会给大量气体放电的质量造成负面影响，降低激光光束横截面积的均匀性。预电离装置不仅能照射大量放电区，而且能辐射到位于高压电极和壳体之间的绝缘体表面，而这就需要加大激光器的体积。

发明内容

本发明的目的是设计出在高频重复脉冲模式下有效工作的气体放电横向激发激光器。

气体放电激光器包含一对安装于壳体内且与电源相连的连续加长的主电极，它们的工作面组成了大量放电区。每个主电极的侧面旁边，和相对电极的距离大于放电主电极工作面之间的距离之处，安装一个紫外线预电离装置，一个压送气工具，一个散热器，几个辐射输出窗口。在大量放电的进气口和出气口安装电气安全型的气流非传导导向器，其中的两个装置在安装时带了相对的放电主电极间隙。气流导向装置产生气流区域，预电离装置位于该气流区之外，就会使得每个预电离装置产生的紫外线经过指定的间隙都落入大量放电区。

由预电离装置产生的紫外线至少从两个相反的方向落入大量放电区，这就保证了阴影区域的感光，在使用单个距离相对电极大于电极间距离的预电离装置时就会产生阴影区域。预电离装置的存在，以及预电离装置产生的紫外线落入大量的放电区和相对主电极的工作面，都保证了在所有大量放电区内的气体离子化，其中包括主电极的工作面区域，这就为稳定的高质大量放电创造了条件。因为由预电离装置产生的紫外线经过间隙落入了大量气体放电区，其他部分激光的照度被减至最低。由绝缘体表面的预电离装置产生的紫外线照度水平降低后，排除了击穿的可能性，而且由表面电流泄露造成的电极附着能量损失也减少，这保证激光器长时间工作的稳定性。气流导向器在大量放电区内产生均匀电流，降低气流抽运回路的阻力。气流导向器和放电主电极工作面形成气流区域，而预电离装置位于此区域之外，因此不阻碍气流的高速流动，保证高频重复脉冲激光器的正常工作。预电离装置通过间隙照射到大量放电区，远离主电极和气流导向器工作面，因此在大量放电区内的电场不会受到扭曲，这有利于放电均匀性的提高。电气绝缘良好的非传导气流导向器的存在排除了预电离装置引发寄生电力击穿的可能性。总之，以上技术方案能在放电主电极间获得大量均匀的高脉冲重复频率的气体放电，既不会在绝缘体表面也不会在气体间隙产生寄生击穿现象，保证了激光器能在较长使用期限内稳定工作。

预电离装置位于大量主放电区出气口边。这种情况下，所提出的大量放电区的技术解决方案实施时不会被预电离装置工作时的产物所污染，且具有极高的电气安全性。因为预电离装置工作的产物在大量放电区内不会和主气流相遇。除此以外，在放电隙气流入口的电极与导流器之间并无间隙，这就促进放电间隙气流的更均匀分布。以上两个因素都提高了气体抽运放电的高质量大容量，本质上保证了较高的激光空间和光谱特性。

预电离装置位于大量放电的进气口边。在这种情况下气流导向器和放电主电极的间隙就处于抽运装置至气体大量放电区域内，此时电气安全性就要高于大量放电区出口处经处理过的气体的电气安全性，可以将预电离装置的工作面靠近放电间隙而不会产生寄生击穿现象。这就提高了大量放电区内的预电离装置的工作强度，对于CO₂激光器，这点是非常重要的。

其中一个预电离装置位于大量放电区的进气口边，而另一个预电离装置则位于大量放电区的出气口边。在这种结构下，大量放电区在大量抽运放电横截面上能获得来自预电离装置均匀的射线照射，这就可以在垂直于光轴的截面内获得大量均匀高质量的放电，相应地，光束可以获得更为均匀的能量分布。

预电离装置安装在每个主电极的侧面。预电离装置在大量放电区四面的分布能在大量放电区内获得更高强度和更加均匀的照射，相应地能使激光光束能量更加均匀地分布，并提高激光器的效率。

相对于主放电电极间隙的导向器和电极侧面构成了补充气体通道，其中安置预电离设备的照射部件。补充气体通道支持在高频重复脉冲模式下进行的预电离的照射，它将预电离装置的产物排出，并冷却预电离工作区。

预电离装置是电晕放电式预电离装置，它有内置电极和绝缘体。此装置在电晕放电的基础上保证整条电极在激光气体放电容器内能够获得均匀的电离辐射，并且构造紧凑简单。

假设一个预电离装置位于主放电电极侧面的凹槽内。这样就减小了激光电极系统的尺寸，相应地，也降低了抽运放电回路的电感系数，即提高了抽运电能转换成激光的效率，而这对受激准分子激光器特别重要。

假设一个预电离装置安装在朝向主放电电极侧面的气流导向器侧面的纵向凹槽内。这能将由紫外线辐射造成的激光其它部分的漏光降到最低，杜绝高电压绝缘体表面的击穿放电，这一点对于靠近抽运气放电的高压电极处的绝缘体和导向器表面尤其重要。

假设一个气流导向器和预电离装置绝缘体是由一个整体的非传导元件构成的。在这样的结构中，预电离装置绝缘体和气流导向器以一个非传导材料元件的形式构成，内安内置电极。此时，该非传导元件朝向气流的一面起主气流导向器的功能，而朝向电极侧面的一面则起着预电离装置工作面和排出电晕放电产物的补充气流通道侧壁的作用。由于它与气流导向器的连接平稳，这既简化了激光器的结构，又减少了预电离装置工作表面上散热的问题。

电晕预电离装置的内置电极之间由导线连接。在该结构中，预电离装置的运转无须接通预电离补充电路，也不需要通过壳体进行高压电源输入，这实质上简化了激光器的构造，并使所述技术较易实现。

高频重复脉冲、高质激光器就是所述方案的技术成果。

附图说明

图1展示激光器的横截面，其中电晕放电预电离装置安装在大量放电区排气口处，并设在电极凹槽和气流导向器内。

图2展示图1中的激光器电极系统的横截面。

图3展示激光器电极系统的横截面，其中电晕放电预电离装置不仅安装在大量放电区的进气口处，同时也安装在其排气口处，且其与气流导向器为一体化结构型式。

具体实施方式

图1、2中，主电极1、2与电源3相接，安装于由金属腔4和绝缘顶盖5组成的密闭外壳内。如图所示，电晕放电预电离装置6安装在主电极1的凹槽内，其与主电极2之间的距离大于主电极1和2之间的距离。主电极1为预电离装置6的外电极，而主电极2则是预电离装置7的外电极。电晕放电预电离装置7安装在主电极2的凹槽内，其与主电极1之间的距离大电极1和2之间的距离。导流器8、9安装时与主电极1、2之间留有空隙S1、S2。导流器8、9、10、11与主电极1、2的工作面构成了均衡的高速气流形成区。导流器10、11构成了大量放电区入口气流汇聚器器壁，而导流器8、9则形成了出口扩散器。预电离装置由介电管12、14组成，带内置电极13、15，且其相对于电极和导流器的安装位置，应确保紫外线通过间隙S1、S2能完全辐射到位于主放电电极1、2工作面之间的大量放电区D。高压电极1则安装于绝缘顶盖5上，主电极2接地并通过透气性导线16、17与电源低电感连接。壳体内安有横流式风机工作轮状的激光器气体混合物泵浦装置18和气体混合物冷却器19。通道F沿预电离装置7工作表面通过并将气压不同的气体抽运回路区相互连通。窗孔20的用途是从气体放电舱内输出激光。

图1、2所示装置工作方式如下。接通激光器时，抽运装置18在密闭的激光器气体抽运回路内形成气流。导向器8、9、10、11作为气流扩散-汇聚转换器器壁，使得主电极1、2之间的大量放电区D内形成10米/秒以上流速的均衡气流。当在预电离装置6、7的内置电极13与主电极1以及内置电极14与主电极2之间发出高压脉冲时，预电离装置工作表面形成电晕放电等离子体。由此而产生的紫外线通过导流器与电极之间的间隙S1、S2辐射至放电间隙和主电极1、2的工作面，使大量放电区D内的气体发生电离。然后，来自电源3的电压施与主电极1、2上。由于电晕放电辐射的作用，放电间隙内的气体发生电离，产生大量的气体抽运放电。大量放电区D受到来自两边的预电离装置射线的辐射，这保证了大量的、均衡的、高质量的放电和激光束能量的均匀分布。

随着抽运脉冲的不断产生，上述一系列过程不断重复。由于来自预电离装置6、7的紫外线是通过间隙S1、S2落至大量气体放电区内的，对激光器其他部件的照射达到最小化，预电离装置对非导电导向器8、10表面的照度水平降低了，这排除了击穿故障的发生并降低了由于表面电流泄漏而造成的施于电极上的能量损耗，保证了激光器在长时间内稳定工作。预电离装置通过间隙S1、S2照射大量放电区D，且与主电极及导流器工作面相离，因此大量放电区内的电场未被扭曲，这有利于放电的均衡性。电气安全性的非导电导向器的设置，排除了电极与预电离装置之间发生寄生性击穿、抽运放电竞争性击穿及电击穿故障发生的可能性。特别重要的是排除了随着经前次抽运脉充作用的气流继续往下行进气体空体空间发生寄生击穿的可能性，因为气体空间的绝缘强度会由于抽运放电产物的产生而降低。这使得在同一气流流速条件下提高了脉冲重复频率。预电离装置位于由气流导向器和主放电电极工作面构成的主气流区外，因而不会对高速气流的扩散构成阻碍，从而保证了激光器以高脉冲重复频率进行工作。气流导向器表面平整，且其与电极工作面之间的连接平滑，因此，在大量放电区内可以形成均衡的气流，同时降低了气体抽运回路内的阻力。所有这些都使得可以在较小的气流速率条件下获得较高的脉冲重复频率，这是至关重要的，因为形成气流所必需的功率是成一定比例的。因此，本发明所提出的激光器结构可以保证激光器在高质放电、高脉冲重复频率状态下高效工作。

在图3所示的结构方案中，气流导向器和电晕预电离装置绝缘体是由一个整体的非传导元件20组成，也就是说，是一体化设计。非传导元件20安装时与主电极2之间留有间隙。预电离内置电极21靠近非传导元件表面P，面向主电极1的侧表面。此间隙起补充气流通道F的功能。同样地，也安装有导向器22、24、26，分别设有内置电极23、25、27。P的工作面发生预电离电晕放电，其几何位置应根据具体情形加以选择，确保所有电晕放电区产生的射线总和能够照射到整个气体大量放电区。

图3所示激光器工作程序与上述情形类似。由于预电离内置电极21、23、25、27处于靠近主电极1、2侧表面的位置，正是在此区域产生最大的电场强度，同时在面P上发生预电离电晕放电。由于朝向主气流区的面R远离预电离内置电极21、23、25、27，其上不会产生电晕放电。由于面R位于高压主电极1与回路导线16之间，其绝缘强度非常重要。一体化的非传导元件拥有连续平整的表面，这为主电极2和形成电晕放电等离子体的非传导元件表面P之间的补充气流通道F创造了最佳条件。大量放电区四面布置预电离装置，不仅在大量抽运放电区横截面上，而且在其纵截面上均可获得更强、更均衡的照射。相应地，在这样的条件下，激光光束的能量分布变得更为均匀，而激光器效率也提高了。

本发明可用于高频重复脉冲气体激光器结构中，如受激准分子激光器。高频重复脉冲气体激光器广泛应用于各种工艺过程中。

Claims (11)

1.一种气体放电激光器，其包括：壳体内安装的一对与电源相连的整体式加长主电极，电极工作面构成大量放电区；其中每个主电极侧表面旁边安装有一个紫外线预电离装置，所述装置与相对电极之间的距离大于主放电电极工作面之间的距离，还包括气体抽运装置、散热器、射线输出窗，其特征在于，大量放电区气体入口与出口安装有非传导气流导向器，其中两个气流导向器与主放电电极之间留有间隙，预电离装置位于上述气流导向器构成的气流区外，所述的间隙大于每个预电离装置产生的紫外线进入大量放电区时所需的距离。

2.如权利要求1所述的气体放电激光器，其特征在于，预电离装置位于大量放电区气体出口处。

3.如权利要求1所述的气体放电激光器，其特征在于，预电离装置位于大量放电区气体入口处。

4.如权利要求1所述的气体放电激光器，其特征在于，其中一预电离装置位于大量放电区气体入口处，另外一预电离装置位于大量放电区气体出口处。

5.如权利要求2所述的气体放电激光器，其特征在于，预电离装置安装于每个主电极的侧表面。

6.如权利要求1至5任意一项所述的气体放电激光器，其特征在于，与主放电电极之间留有间隙的导流器和电极侧表面形成补充气道，其间设有预电离装置的辐射部件。

7.如权利要求6所述的气体放电激光器，其特征在于，预电离装置是包含内置电极和绝缘体的电晕放电预电离装置。

8.如权利要求7所述的气体放电激光器，其特征在于，其中一预电离装置安装于主放电电极侧表面纵向凹槽内。

9.如权利要求7所述的气体放电激光器，其特征在于，其中一预电离装置安装于朝向主放电电极侧表面的气流导向器侧表面纵向凹槽内。

10.如权利要求7所述的气体放电激光器，其特征在于，其中一个气流导向器和电晕预电离装置绝缘体由一整体非传导元件构成。

11.如权利要求7所述的气体放电激光器，其特征在于，电晕预电离装置的内置电极之间通过导线相连。

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