專利名稱：針條電極脈沖預(yù)電離橫流二氧化碳激光器放電腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種針條電極脈沖預(yù)電離橫流二氧化碳(CO2)激光器放電腔，用于提高橫流CO2激光器的性能價(jià)格比。
高功率橫流CO2激光器在鋼鐵、石油、汽車制造等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。其主要優(yōu)點(diǎn)在于其連續(xù)輸出和重復(fù)脈沖輸出功率高，平均功率一般在千瓦-萬瓦之間，也可獲得更高功率輸出。從第一臺橫流CO2激光器誕生至今卅多年來，科學(xué)家一直致力于放電電極結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，不斷謀求在單位激活體積內(nèi)獲得更多的電功率注入，在電光效率基本一致(通常在10％～20％之間)的情況下，從而獲得更高的激光功率輸出。橫流CO2激光器的市場價(jià)格往往與其功率成比例。由于電極結(jié)構(gòu)的造價(jià)與整臺激光器的價(jià)格相比較，只占較少的比例，但電極結(jié)構(gòu)改進(jìn)的成功有時(shí)會獲得成倍的激光輸出功率的增加，或連續(xù)密封運(yùn)轉(zhuǎn)壽命的提高，使該器件的性能價(jià)格比獲得大幅度提高。
在先技術(shù)1中，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所在專利ZL89106601．2中，提供一種脈沖預(yù)電離管一條電極。主要由水冷銅管陰極、條狀銅陽極、直流電源、鎮(zhèn)流電阻、預(yù)電離針、脈沖電源、隔直電容和直流濾波電感等組成。它可以保證激光器在工作氣壓高和氣體流速大的條件下，獲得穩(wěn)定的均勻輝光放電，激光器的輸出功率和工作壽命雖然較在它前面的有了提高，但由于受到放電電極結(jié)構(gòu)上的限制，很難做到再大幅度地提高激光器的輸出功率。在先技術(shù)2中，專利ZL99252127．0提供一種大能量寬脈寬的二氧化碳激光器，激光器的輸出功率雖有較大的提高，但要想再提高注入功率和激光輸出功率是比較困難的。
本發(fā)明的目的在于克服在先技術(shù)的不足，進(jìn)一步增大橫流CO2激光器的電功率注入，從而獲得更高的激光功率輸出，提供一種新型的針條電極脈沖預(yù)電離橫流CO2激光器放電腔。
本發(fā)明的針條電極脈沖預(yù)電離橫流二氧化碳激光器的放電腔，如圖1所示。包括在放電腔16內(nèi)置有流動的氣體激光工作物質(zhì)1601，由諧振腔腔鏡1101構(gòu)成的光學(xué)諧振腔11，放電腔16內(nèi)的放電方向μ與氣體激光工作物質(zhì)1601流動方向υ以及光學(xué)諧振腔11的光軸O三個(gè)方向相互垂直成正交的x，y，z方向。放電腔16內(nèi)，置于氣體激光物質(zhì)1601中有排成一列相互絕緣的嵌于由耐高溫絕緣材料構(gòu)成的絕緣板802上的陽極條801。與陽極條801一一相對應(yīng)地置于氣體激光工作物質(zhì)1601流動方向υ上游的排成一列的脈沖預(yù)電離針7。
脈沖預(yù)電離電極接線柱3通過耦合電容4、預(yù)電離電源5、隔直電容6與連接在陽極條801上的限流電阻9相聯(lián)，構(gòu)成脈沖預(yù)電離回路。陰極接線柱1通過直流電源12和濾波電感10與連接在陽極條801上的限流電阻9相聯(lián)，構(gòu)成主放電回路。
本發(fā)明的放電腔16內(nèi)的陰極是由針狀的陰極針13排成列而構(gòu)成。具體的構(gòu)成是有陰極針13與陽極條801和脈沖預(yù)電離針7一一相對應(yīng)的并與排成一列的脈沖預(yù)電離針7平行排成列。陰極針13和脈沖預(yù)電離針7的針頭指向陽極條801沿長度方向的中軸位置上。陰極針13和脈沖預(yù)電離針7的尾部插入絕緣體2上的液槽201中。所說的陰極接線柱1是置于插入陰極針13的液槽201底部。所說的脈沖預(yù)電離電極接線柱3是置于插入脈沖予電離針7的液槽201底部。絕緣體2上的液槽201帶有進(jìn)液口202和出液口203，液槽201里裝有流動的液體1501。如圖3所示。在液槽201口，陰極針13和脈沖預(yù)電離針7的周圍有密封層14。密封層14一方面防止液體流出，另一方面也使兩針固定。在液槽201里的液體1501內(nèi)，陰極針13與陰極接線柱1之間以及脈沖預(yù)電離針7與脈沖預(yù)電離電極接線柱3之間由液體1501構(gòu)成液體電阻1502聯(lián)結(jié)。如圖1、圖2所示。
所說的液槽201里裝有的液體1501是碳酸鉀溶液，或是碳酸鈉電解質(zhì)溶液，或是其他弱酸溶液，或是弱堿溶液。
所說的排成列的陰極針13的列數(shù)n≥1。
本發(fā)明針條電極脈沖預(yù)電離橫流二氧化碳激光器放電腔電極結(jié)構(gòu)如上述圖1所示。在氣體放電腔內(nèi)氣體流動方向、陰陽極放電方向和光學(xué)諧振腔光束傳播方向三軸正交。所說的陰極接線柱1由銅、鋁等導(dǎo)電體構(gòu)成。所說的絕緣體2由耐溫絕緣材料構(gòu)成；所說的脈沖預(yù)電離電極接線柱3由銅、鋁等導(dǎo)電體構(gòu)成，所說的脈沖預(yù)電離電源5帶有耦合電容4和隔直電容6。所說的脈沖預(yù)電離針7由Φ1～2mm的紫銅，或黃銅或鎢針構(gòu)成，脈沖預(yù)電離針7處于氣體輝光放電的上游，所說的陽極條801由黃銅，或紫銅條構(gòu)成，每條陽極條801的長度為40～60mm，其寬度在10～20mm之間，每個(gè)陽極條801之間的間隔在3～6mm之間，陽極條801嵌于絕緣板802上，排成一列形成同一平面。所說的陽極條801連接的限流電阻9的電阻值一般取1kΩ～10kΩ之間。直流電源12帶有作為濾波電感10的高頻扼流圈。由諧振腔腔鏡1101構(gòu)成的光學(xué)諧振腔11如圖1所示的方向O。放電腔16內(nèi)氣體激光工作物質(zhì)1601流動方向如圖1中箭頭υ所示，垂直于放電方向μ和光束傳播光軸O的方向，氣體激光工作物質(zhì)1601為混合氣體，流速一般在20～70米／秒之間。陰極針13由Φ2～4mm的不銹鋼、可紫銅，或黃銅等電極材料制成。脈沖預(yù)電離針7、陰極針13與陽極條8形成一一對應(yīng)關(guān)系，陰極針13的列數(shù)n可以由一列或多列構(gòu)成，列與列之間的距離在5～15mm之間。一般來講多列針放電注入電功率優(yōu)于單列針，但結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性加大。脈沖預(yù)電離針7和陰極針13由密封圈或密封膠構(gòu)成一層密封層14將其尾部固定于液槽201內(nèi)。液體1501為碳酸鉀溶液時(shí)，其液體電阻1502的電阻值由碳酸鉀溶液的濃度和陰極針13與陰極接線柱1之間的距離來決定。所說的液體電阻1502是由流動的液體構(gòu)成，如圖3所示，液槽201帶有進(jìn)液口202和出液口203，也就是液槽201里的液體1501是流動的，所以液體電阻1502起到限流電阻和冷卻電極的雙重作用。
脈沖預(yù)電離針7和陰極針13的針頭指向陽極條801，而且脈沖預(yù)電離針7和陰極針13兩者針頭頂端與陽極條801之間是等距離的，二者距離d通常在20mm～80mm之間，取決于橫流CO2激光器混合氣體壓力P(一般是CO2、N2、He、CO等混合氣體)，一般情況下Pd值為一相對值，通常為Pd＜3000mm·mmHg(≈400mm·kpa)。脈沖預(yù)電離針7和陰極針13尾端浸泡在液體中，如果液體為碳酸鉀(K2CO3)溶液時(shí)，溶液1501的濃度約每升自來水中加0．05g→0．5g，濃度值決定了每個(gè)預(yù)電離脈沖針7和每個(gè)陰極針13的等效限流電阻值，K2CO3溶液由循環(huán)冷卻系統(tǒng)使其處于流動狀態(tài)，同時(shí)對脈沖預(yù)電離針7和陰極針13起到冷卻作用。脈沖預(yù)電離針7和陰極針13與電極接線柱3和1之間的距離可調(diào)節(jié)，等效于調(diào)節(jié)限流電阻值大小。
放電回路如上述和圖1所示，每個(gè)陽極條801連接有限流電阻9，電阻值在1～10kΩ左右。脈沖預(yù)電離回路通過耦合電容4和隔直電容6提供重復(fù)頻率3～10kHz的重復(fù)脈沖，脈沖寬度在100～500毫微秒之間，脈沖峰值電壓在3～6kV之間，脈沖預(yù)電離在放電區(qū)內(nèi)氣體激光工作物質(zhì)1601流動方向υ上游提供了主放電區(qū)所需的預(yù)電離放電的氣體激光工作物質(zhì)1601，流向下游，為主放電提供了初始的電子和離子。主放電回路由直流電源12，通過濾波電感10和限流電阻9提供陽極條801正高壓(在數(shù)千伏量級)，同時(shí)通過陰極接線柱1和液體電阻1502提供陰極針13負(fù)電壓，則陰極針13與陽極條801之間產(chǎn)生主放電，形成均勻輝光放電的主放電區(qū)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明與在先技術(shù)中專利ZL89106601．2和ZL99252127．0所采用的管一條電極結(jié)構(gòu)相比較，采用本發(fā)明的放電腔結(jié)構(gòu)所注入放電區(qū)的電功率明顯增加，增加近1．5倍。從而輸出激光功率也提高了1．5倍。


圖1為本發(fā)明的針條電極脈沖預(yù)電離橫流CO2激光器放電腔結(jié)構(gòu)的橫向剖視的示意圖。
圖2為圖1陰極和脈沖預(yù)電離針7在A-A方向的剖視示意圖。
圖3為圖1陰極和脈沖預(yù)電離針7在B-B方向當(dāng)陰極針13的列數(shù)n=3時(shí)的剖視示意圖。
圖4為本發(fā)明的脈沖預(yù)電離針7和三列陰極針13排列結(jié)構(gòu)的部分立體示意圖。
實(shí)施例如圖1所示的結(jié)構(gòu)，在中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所五千瓦橫流CO2激光器上實(shí)施。本實(shí)施例的CO2激光器采用雙軸流風(fēng)機(jī)(轉(zhuǎn)速8000轉(zhuǎn)／分)，雙放電通道，Π型折迭腔。如圖1所示的放電區(qū)，分內(nèi)外兩側(cè)。陽極條801長度為50mm，陽極條801的寬度為15mm，陽極條801條與條之間相互間隔為5mm，陽極條801嵌于耐高溫絕緣材料構(gòu)成絕緣板802之中，排列成同一平面的列。每個(gè)放電區(qū)有57個(gè)陽極條801，有效放電長度為1140mm。與每個(gè)陽極條801一一對應(yīng)的是脈沖預(yù)電離針7為Φ1mm紫銅針?biāo)瞥桑帢O針13的列數(shù)n=3，如圖3、圖4所示，每根陰極針13為Φ3mm不銹鋼針，脈沖預(yù)電離針7和陰極針13進(jìn)入放電區(qū)的長度為10mm，每列針之間的間隔為10mm，用作液體電阻1502的液體1501為K2CO2溶液，其濃度為0．15克／升水，如圖1所示的脈沖預(yù)電離針7和陰極針13針頭正好指向陽極條801沿長度方向的中軸位置上。
在放電區(qū)內(nèi)氣體激光工作物質(zhì)1601的流速為60米／秒情況下，陰極針13針頭到陽極條801平面的距離d為50mm，大體積均勻輝光放電的工作氣壓高達(dá)105mmHg(14kPa)。在較佳工作氣壓(80mmHg)時(shí)，注入放電區(qū)的電功率高達(dá)86kW，激光輸出光功率高達(dá)9．5kW，比在先技術(shù)中管一條電極預(yù)電離放電結(jié)構(gòu)高出1．5倍。
權(quán)利要求
1．一種針條電極脈沖預(yù)電離橫流二氧化碳激光器放電腔，包括<1>在放電腔(16)內(nèi)置有流動的氣體激光工作物質(zhì)(1601)，由諧振腔腔鏡(1101)構(gòu)成的光學(xué)諧振腔(11)，放電腔(16)內(nèi)電極之間的放電方向(μ)與氣體激光工作物質(zhì)(1601)流動方向(υ)以及光學(xué)諧振腔(11)光軸(O)三方向相互垂直成正交的x，y，z方向；<2>放電腔(16)內(nèi)，置于氣體激光工作物質(zhì)(1601)中有排成一列相互絕緣的嵌于絕緣板(802)上的陽極條(801)，與陽極條(801)一一相對應(yīng)地置于氣體激光工作物質(zhì)(1601)流動方向上游的排成一列的脈沖預(yù)電離針(7)；<3>脈沖預(yù)電離電極接線柱(3)通過耦合電容(4)，預(yù)電離電源(5)，隔直電容(6)與連接在陽極條(801)上的限流電阻(9)相聯(lián)構(gòu)成脈沖預(yù)電離回路，陰極接線柱(1)通過直流電源(12)和濾波電感(10)與連接在陽極條(801)上的限流電阻(9)相聯(lián)構(gòu)成主放電回路；其特征在于<4>有與陽極條(801)和脈沖預(yù)電離針(7)一一相對應(yīng)的并與排成一列的脈沖予電離針(7)平行排成列的陰極針(13)；<5>陰極針(13)和脈沖預(yù)電離針(7)的針頭指向陽極條(801)沿長度方向中軸的位置上，陰極針(13)和脈沖預(yù)電離針(7)的尾部插入絕緣體(2)上的液槽(201)中；<6>所說的脈沖預(yù)電離電極接線柱(3)是置于插入脈沖預(yù)電離針(7)的液槽(201)底部，所說的陰極接線柱(1)是置于插入陰極針(13)的液槽(201)底部；<7>絕緣體(2)上的液槽(201)帶有進(jìn)液口(202)和出液口(203)，液槽(201)里裝有流動的液體(1501)，在液槽(201)口陰極針(13)和脈沖預(yù)電離針(7)的周圍有密封層(14)；<8>在液槽(201)里的液體(1501)內(nèi)，陰極針(13)與陰極接線柱(1)之間以及脈沖預(yù)電離針(7)與脈沖預(yù)電離電極接線柱(3)之間由液體(1501)構(gòu)成液體電阻(1502)聯(lián)結(jié)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的針條電極脈沖預(yù)電離橫流二氧化碳激光器放電腔，其特征在于所說的液槽(201)里的液體(1501)是碳酸鉀溶液，或是碳酸鈉電解質(zhì)溶液，或是其他弱酸溶液，或是弱堿溶液。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的針條電極脈沖預(yù)電離橫流二氧化碳激光器放電腔，其特征在于所說的排成列的陰極針(13)的列數(shù)n≥1。
全文摘要
一種針條電極脈沖預(yù)電離橫流二氧化碳激光器放電腔,放電腔內(nèi)的陽極是由排成一列相互絕緣的嵌于絕緣板上的陽極條構(gòu)成。預(yù)電離電極是由與陽極條一一相對應(yīng)排成一列的脈沖預(yù)電離針構(gòu)成。陰極是由與陽極條和脈沖預(yù)電離針一一相對應(yīng)排成一列或多列的陰極針構(gòu)成。陰極針和脈沖預(yù)電離針的針頭指向陽極條。尾部插入裝有流動液體的液槽內(nèi)。兩針的尾端與兩接線柱之間由液體電阻聯(lián)結(jié)。具有注入功率大,輸出激光功率高的特點(diǎn)。
文檔編號H01S3/03GK1292588SQ0012589
公開日2001年4月25日 申請日期2000年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月31日
發(fā)明者程兆谷 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所