專利名稱：控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的方法和裝置。
背景技術(shù)：
氣體激光器以特征氣體為工作介質(zhì)，針對相關(guān)應(yīng)用，通過有效的高壓氣體放電(或激光激勵)激勵氣體產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，形成相應(yīng)激光波長的激光輻射輸出。針對某些特征氣體的氣體激光器，使其有效運轉(zhuǎn)的有效工作溫度(能量輸出、能量穩(wěn)定性、光束質(zhì)量等激光指標參數(shù)的最優(yōu)化輸出溫度條件)常高于室溫，同時由于涉及到高壓氣體放電過程，激光腔體內(nèi)部會伴隨產(chǎn)生大量的熱量積聚，過高的腔體溫度將嚴重影響激光器運轉(zhuǎn)效能，所以有效的溫度控制和腔體散熱措施是保障氣體激光器良好運轉(zhuǎn)的重要環(huán)節(jié)。 密閉腔體中具有特定成分配比的氣體介質(zhì)在高壓放電激勵的條件下，通過維持和保障放電電極之間的有效電子密度，形成針對特征增益氣體介質(zhì)的有效轟擊泵浦，進而借助于粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)實現(xiàn)有效的特征波長激光輻射，最終在激光諧振腔的作用下形成放大的激光輸出。針對于電激勵氣體激光器系統(tǒng)，電光轉(zhuǎn)換效率較低，通常低于5%，所以在激光器系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中，激勵電能的注入只有很少一部分被轉(zhuǎn)化為激光輸出，而其他大部分電能注入則主要被轉(zhuǎn)化為熱能存在于腔體內(nèi)部，對于維持有效氣體放電會產(chǎn)生負面的影響。借助于腔體內(nèi)部的氣體循環(huán)系統(tǒng)和冷卻散熱系統(tǒng)，熱量被有效帶出腔外，從而維持腔內(nèi)電極放電環(huán)境的穩(wěn)定，保障激光器系統(tǒng)工作的正常運轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的腔體散熱機制主要通過傳導(dǎo)、對流和輻射手段，借助于冷卻介質(zhì)(諸如水等)在相關(guān)外部冷卻裝置與腔體內(nèi)部特征設(shè)計的散熱器件中的循環(huán)流動，實現(xiàn)有效散熱，維持激光器系統(tǒng)有效運轉(zhuǎn)過程中的腔體溫度恒定。盡管利用這ー方法可以有效地實現(xiàn)腔體散熱，但是涉及某些有效溫度運轉(zhuǎn)的氣體激光器，諸如ArF氣體激光器，其有效溫度在40°C 45°C左右，單純依靠冷卻散熱的方法會導(dǎo)致工作溫度控制精度較低；同時在激光器系統(tǒng)開機后，無論是否開啟冷卻散熱系統(tǒng)，激光器達到有效工作溫度的預(yù)熱時間必須通過足夠長的高壓氣體放電過程來保障，這在一定程度上對于氣體介質(zhì)、電能以及人為等待時間等都將造成較大的無為消耗。圖I所示為用于氣體激光器的傳統(tǒng)的有效工作溫度控制方法的示意圖。如圖I所不，在激光器系統(tǒng)I包括有ー個冷卻散熱系統(tǒng)，該冷卻散熱系統(tǒng)包括有散熱器件3和冷卻系統(tǒng)2，該散熱器件3與冷卻系統(tǒng)2通過管道4相互連通。在散熱器件3、冷卻系統(tǒng)2及管道4內(nèi)充有傳熱介質(zhì)，例如水等液體。散熱器件3用于吸收激光器系統(tǒng)I產(chǎn)生的熱量，冷卻系統(tǒng)2用于冷卻傳熱介質(zhì)，并使傳熱介質(zhì)在散熱器件3與冷卻系統(tǒng)2之間循環(huán)流動。在激光器系統(tǒng)I運轉(zhuǎn)過程時，氣體高壓放電激勵，注入電能中除極少部分轉(zhuǎn)化為相應(yīng)激光輻射外，大量的電能注入轉(zhuǎn)化為腔體內(nèi)的熱能，產(chǎn)生大量的熱量。此時，散熱器件3吸收腔體所產(chǎn)生的熱量，通過傳熱介質(zhì)在散熱器件3與冷卻系統(tǒng)2之間的循環(huán)，將被加熱的傳熱介質(zhì)帶出激光器系統(tǒng)，并將冷卻后的傳熱介質(zhì)輸送加散熱器件2。
如圖I所示，傳統(tǒng)的冷卻散熱系統(tǒng)控制激光器的有效工作溫度的方法是在管道4上安裝一個流量控制器6，并在激光器系統(tǒng)I內(nèi)部設(shè)置一個溫度探測器5，溫度探測器5與流量控制器6電性連接，流量控制器6根據(jù)所檢測到的激光器系統(tǒng)I的溫度來控制管道4內(nèi)的傳熱介質(zhì)的流量，以控制散熱器件3的散熱速率，從而控制激光器系統(tǒng)I的有效工作溫度。由此可見，利用冷卻系統(tǒng)2和散熱器件2散熱的方法能夠通過流量控制、溫度反饋的手段較好的實現(xiàn)腔體降溫的效果，平衡腔體內(nèi)的熱量耗散。但是，對于放電腔體的有效工作溫度的穩(wěn)定和維持卻不大容易實現(xiàn)，經(jīng)常出現(xiàn)腔體有效溫度穩(wěn)定精度差、調(diào)整時間過長等不足，對于充分發(fā)揮激光器系統(tǒng)使用效能存在不足，在一定程度上影響了輸出激光指標參數(shù)，這一現(xiàn)象在高重復(fù)頻率運轉(zhuǎn)脈沖氣體激光器中顯得 尤為突出。另外，由于室溫條件下激光器腔體溫度與激光器有效工作溫度的差異，導(dǎo)致激光器開啟后預(yù)熱過程時間較長，必須依靠相對高重復(fù)頻率氣體放電過程來提升腔體溫度。較長的等待時間又同時會帶來激光氣體的消耗和機械光學(xué)元件的磨損，激光器系統(tǒng)使用壽命相應(yīng)降低。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對當前氣體激光器技術(shù)中采用的單純冷卻控溫，對于某些適宜于工作在有效溫度的氣體激光器系統(tǒng)而言，存在預(yù)熱時間長、控溫能力差的缺點，從而最終影響和降低系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效能。(二)技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的方法，所述激光器系統(tǒng)包括放電腔體，該放電腔體在工作過程中產(chǎn)生熱量，所述方法包括如下步驟對激光器系統(tǒng)的放電腔體進行預(yù)加熱，使所述放電腔體達到有效工作溫度；在所述放電腔體達到有效工作溫度后，所述放電腔體進行放電，同時，對所述放電腔體進行冷卻散熱，使該放電腔體維持在有效工作溫度。根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
，在對所述放電腔體進行預(yù)加熱的后期，開始冷卻散熱，并使此時的冷卻散熱速率低于所述放電腔體在達到有效工作溫度后的冷卻散熱速率。根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
，在所述放電腔體溫度達到有效工作溫度后，逐步提高冷卻散熱的速率，以緩沖所述放電腔體在加熱過程中產(chǎn)生的溫升過沖。根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
，在放電腔體達到有效工作溫度時，不立即停止加熱，并維持加熱一段時間。根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
，當放電腔體的溫度達到在有效工作溫度時，使冷卻速率變小，同時使加熱功率變小，以保證放電腔體維持在所述有效工作溫度。根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
，在放電腔體的整個放電過程中，保持加熱，并通過調(diào)節(jié)加熱功率，使放電腔體維持在所述有效工作溫度。本發(fā)明還提出一種控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的裝置，激光器系統(tǒng)包括放電腔體，該放電腔體在工作過程中產(chǎn)生熱量，所述裝置包括一個冷卻散熱系統(tǒng)，該裝置還包括一個加熱裝置，其用于在激光器系統(tǒng)的開機過程中對所述放電腔體進行預(yù)加熱。
根據(jù)本發(fā)明的ー個具體實施方式
，其特征在于，所述加熱裝置可以是ー個加熱帯，并安裝在所述放電腔體的底部。根據(jù)本發(fā)明的ー個具體實施方式
，所述冷卻散熱系統(tǒng)包括有控制冷卻散熱速率的控制裝置，在對所述放電腔體進行預(yù)加熱后期，該控制裝置控制所述冷卻散熱系統(tǒng)開始冷卻散熱，并使此時的冷卻散熱速率低于所述放電腔體在達到有效工作溫度后的冷卻散熱速率。根據(jù)本發(fā)明的ー個具體實施方式
，所述冷卻散熱系統(tǒng)包括散熱器件和冷卻系統(tǒng)，所述散熱器件與冷卻系統(tǒng)通過管道相互連通，在所述散熱器件、冷卻系統(tǒng)以及管道內(nèi)充有所述傳熱介質(zhì)，所述用于控制冷卻散熱速率的控制裝置是安裝在管道上的流量控制器，并且，所述冷卻散熱系統(tǒng)通過傳熱介質(zhì)的循環(huán)流動進行冷卻散熱，所述用于控制冷卻散熱速率的控制裝置用于控制所述傳熱介質(zhì)的流動。(三)有益效果 本發(fā)明提出的有效工作溫度控制方法，綜合加熱和冷卻兩方面的措施，可以有效地減少系統(tǒng)預(yù)熱時間，減少能源消耗，同時有效散熱，控溫精度高，保障激光器系統(tǒng)在有效工作溫度條件下的有效運轉(zhuǎn)。


圖I為傳統(tǒng)的對氣體激光器進行冷卻散熱的溫度控制方法的示意圖；圖2為本發(fā)明提出的氣體激光器有效工作溫度控制方法的示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進ー步的詳細說明。散熱處理和溫度控制是激光器系統(tǒng)有效運轉(zhuǎn)的重要環(huán)節(jié)。良好的散熱機制、器件設(shè)計和溫度控制措施是激光器系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)和保障。如前所述，氣體激光器系統(tǒng)包括有一個放電腔體。有關(guān)激光器放電腔體的有效エ作溫度的確定，主要取決于相應(yīng)氣體配比、腔體壓力、放電電壓、腔型設(shè)計等多方面的因素。在不開啟冷卻散熱系統(tǒng)的條件下，通過針對激光器在不同溫度條件下的輸出激光指標參數(shù)綜合分析，可以較好的獲得激光器有效工作溫度參數(shù)。本發(fā)明在傳統(tǒng)冷卻散熱機制的基礎(chǔ)上附加一個加熱機制，從而形成ー種新的用于激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的控制方法。圖2為本發(fā)明提出的氣體激光器有效工作溫度控制方法的示意圖，如圖2所示，在本發(fā)明的激光器系統(tǒng)I中，除了具有ー個冷卻散熱系統(tǒng)之夕卜，還包括一個加熱裝置7。該加熱裝置7用于對放電腔體進行加熱以及針對平衡冷卻散熱溫控精度較差的有效輔助補償。根據(jù)本發(fā)明的ー個優(yōu)選實施例，所述加熱裝置7可以是ー個加熱帯，并最好位于放電腔體的底部。通常，在放電腔體的側(cè)部和頂部，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的原因不宣放置加熱裝置，但是，對于特殊的放電腔體，可以根據(jù)需要將加熱裝置設(shè)置于任何適于對放電腔體進行加熱的位置。該加熱裝置7最好包括用于探測和顯示溫度的部件，例如溫度傳感器和液晶顯示屏，以便于操作者實時地掌握放電腔體的溫度。并且，該加熱裝置7最好具有一個啟停控制件，例如是一個開關(guān)，以便于操作者對該加熱裝置7開啟或關(guān)閉。根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，加熱裝置7的功率是可調(diào)節(jié)的，以調(diào)節(jié)加熱的效率，以便對放電腔體的溫度進行更加精確的控制和調(diào)節(jié)。下面來說明本發(fā)明的控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的方法的具體步驟首先，在激光器系統(tǒng)的開機過程中，對激光器系統(tǒng)的放電腔體進行預(yù)加熱。根據(jù)本發(fā)明，使用加熱裝置7對所述腔體進行加熱，使得激光器系統(tǒng)的放電腔體的溫度迅速達到有效工作溫度。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，對激光器系統(tǒng)的放電腔體進行預(yù)加熱的后期即開始進行冷卻散熱，但是使得此時的冷卻散熱速率低于激光器放電腔體在達到有效工作溫度后的冷卻散熱速率。通過流量控制器6對傳熱介質(zhì)的流量進行控制，使得傳熱介質(zhì)以低流量注入冷卻的方式對激光器腔體進行初步散熱。而在激光器系統(tǒng)的放電腔體溫度達到有效工 作溫度后，逐步提高冷卻散熱的速率。根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式，可以通過流量控制器6逐步加大傳熱介質(zhì)的流量，以緩沖激光器系統(tǒng)的放電腔體在加熱過程中產(chǎn)生的溫升過沖。這時，加熱裝置7停止加熱，增加激光器的運轉(zhuǎn)重復(fù)頻率，通過改變傳熱介質(zhì)的流量來平衡腔體在加熱溫度慣性與高壓放電所帶來的溫度升高，從而實現(xiàn)激光器有效工作溫度有效控制和精細調(diào)節(jié)，實現(xiàn)注入冷卻與腔體放電過程產(chǎn)熱的平衡。然后，在激光器系統(tǒng)的放電腔體達到有效工作溫度時，開啟激光器系統(tǒng)，使放電腔體開始放電。與此同時，開啟冷卻散熱系統(tǒng)，開始對放電腔體進行冷卻散熱。根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，在放電腔體達到有效工作溫度時，不立即停止加熱裝置7的加熱。由于在達到有效工作溫度時即開始冷卻散熱，而散熱過程中的溫度降低存在慣性，所以，可以不立即停止加熱裝置7的加熱，而是維持加熱裝置7進行加熱一段時間，使加熱裝置7的加熱、放電腔體放電產(chǎn)生熱量、和冷卻散熱系統(tǒng)的冷卻三者共同作用，使放電腔體的溫度趨于穩(wěn)定，并維持在有效工作溫度，以保障激光器系統(tǒng)在放電過程中的有效運轉(zhuǎn)。具體來說，由于冷卻散熱系統(tǒng)的流量控制的精度較差，可能會存在較為明顯的溫度降低過沖，使放電腔體溫度達到低于有效工作溫度的穩(wěn)定值。因此，為了在最短的時間內(nèi)實現(xiàn)有效溫度的穩(wěn)定，此時保持開啟加熱裝置一段時間，以平衡放電腔體的溫度差異，使放電腔體維持在有效工作溫度。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，當放電腔體的溫度維持在有效工作溫度時，可以調(diào)節(jié)冷卻散熱系統(tǒng)的流量控制器，使其冷卻速率變小，并且降低加熱裝置7的功率，使其加熱功率變小，在確保激光器系統(tǒng)的放電腔體維持在有效工作溫度下的條件下，降底加熱裝置7和冷卻散熱系統(tǒng)的功耗。從而降低整個激光器系統(tǒng)的功耗。優(yōu)選的，可以使加熱裝置7的功率逐漸降為零，或者維持在一個較低的水平。根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，在放電腔體的整個放電過程中，保持開啟加熱裝置7，由于激光器系統(tǒng)的放電腔體的環(huán)境發(fā)生變化，而所述冷卻散熱裝置的流量控制器對流量的控制只能粗略地控制冷卻散熱速率，導(dǎo)致腔體溫度過沖，因此放電腔體的工作溫度可能出現(xiàn)波動。為了進一步消除上述影響，在整個放電過程中保持開啟加熱裝置7，當出現(xiàn)溫度波動時，通過調(diào)節(jié)加熱裝置7的加熱功率，實現(xiàn)對于放電腔體有效工作溫度的精確控制。根據(jù)本發(fā)明，可能由操作者手動調(diào)節(jié)加熱裝置7的功率，也可能利用該加熱裝置7與其溫度傳感器之間的信號反饋來自動控制。對于激光器在不同重復(fù)頻率條件下的工作而言，放電腔體內(nèi)的氣體放電所產(chǎn)生的熱量也不盡相同，利用上述方法都可以較好的實現(xiàn)激光器系統(tǒng)的有效最優(yōu)運轉(zhuǎn)。利用這種方法不但可以相對精確的控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度，而且可以節(jié)省能源消耗和預(yù)熱時間，提升激光器系統(tǒng)使用壽命；同時對于不同類型氣體激光器的有效工作溫度把握也提供了一種有效的測試手段。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的方法，所述激光器系統(tǒng)包括氣體高壓放電腔體，該氣體高壓放電腔體在放電工作過程中產(chǎn)生熱量，其特征在于，所述方法包括如下步驟 對激光器系統(tǒng)的放電腔體進行預(yù)加熱，使所述放電腔體達到有效工作溫度； 在所述放電腔體達到有效工作溫度后，所述放電腔體進行放電，同時，對所述放電腔體進行冷卻散熱，使該放電腔體維持在有效工作溫度。
2.如權(quán)利要求I所述的控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的方法，其特征在于，在對所述放電腔體進行預(yù)加熱的后期，開始冷卻散熱，并使此時的冷卻散熱速率低于所述放電腔體在達到有效工作溫度后的冷卻散熱速率。
3.如權(quán)利要求2所述的控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的方法，其特征在于，在所述放電腔體溫度達到有效工作溫度后，逐步提高冷卻散熱的速率，以緩沖所述放電腔體在加熱過程中產(chǎn)生的溫升過沖。
4.如權(quán)利要求I所述的控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的方法，其特征在于，在放電腔體達到有效工作溫度吋，不立即停止加熱，并維持加熱一段時間。
5.如權(quán)利要求4所述的控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的方法，其特征在干，當放電腔體的溫度達到在有效工作溫度吋，使冷卻速率變小，同時使加熱功率變小，以保證放電腔體維持在所述有效工作溫度。
6.如權(quán)利要求4所述的控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的方法,其特征在于,在放電腔體的整個放電過程中，保持加熱，并通過調(diào)節(jié)加熱功率，使放電腔體維持在所述有效工作溫度。
7.—種控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的裝置，激光器系統(tǒng)包括放電腔體，該放電腔體在工作過程中產(chǎn)生熱量，所述裝置包括ー個冷卻散熱系統(tǒng)，其特征在干，該裝置還包括一個加熱裝置(7)，其用于在激光器系統(tǒng)的開機過程中對所述放電腔體進行預(yù)加熱。
8.如權(quán)利要求7所述的控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的裝置，其特征在于，所述加熱裝置(7)是ー個加熱帶，并安裝在所述放電腔體的底部。
9.如權(quán)利要求7所述的控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的裝置，其特征在干，所述冷卻散熱系統(tǒng)包括有控制冷卻散熱速率的控制裝置出)，在對所述放電腔體進行預(yù)加熱后期，該控制裝置(6)控制所述冷卻散熱系統(tǒng)開始冷卻散熱，并使此時的冷卻散熱速率低于所述放電腔體在達到有效工作溫度后的冷卻散熱速率。
10.如權(quán)利要求9所述的控制激光器系統(tǒng)的有效工作溫度的裝置，其特征在于，所述冷卻散熱系統(tǒng)包括散熱器件(3)和冷卻系統(tǒng)(2)，所述散熱器件(3)與冷卻系統(tǒng)(2)通過管道(4)相互連通，在所述散熱器件(3)、冷卻系統(tǒng)(2)以及管道(4)內(nèi)充有所述傳熱介質(zhì)，所述用于控制冷卻散熱速率的控制裝置(6)是安裝在管道(4)上的流量控制器，并且，所述冷卻散熱系統(tǒng)通過傳熱介質(zhì)的循環(huán)流動進行冷卻散熱，所述用于控制冷卻散熱速率的控制裝置(6)用于控制所述傳熱介質(zhì)的流動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制激光器系統(tǒng)有效工作溫度的方法和裝置，所述激光器系統(tǒng)主要包括氣體高壓放電腔體，該放電腔體在氣體高壓放電工作過程中產(chǎn)生熱量，所述方法包括如下步驟在激光器系統(tǒng)的開機過程中，對激光器系統(tǒng)的放電腔體進行預(yù)加熱，使所述放電腔體達到有效工作溫度；在激光器系統(tǒng)的放電腔體達到有效工作溫度后，停止加熱，開啟放電腔氣體高壓放電工作運轉(zhuǎn)，而后針對所述放電腔體高壓放電運轉(zhuǎn)產(chǎn)熱進行冷卻散熱，使該放電腔體維持在有效工作溫度。本發(fā)明綜合利用了加熱和冷卻兩方面的措施，可以有效地減少激光器系統(tǒng)的預(yù)熱時間，減少能源消耗，同時有效散熱，控溫精度高，保障激光器系統(tǒng)在有效工作溫度條件下的有效運轉(zhuǎn)。
文檔編號H01S3/041GK102842841SQ20121013941
公開日2012年12月26日 申請日期2012年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月7日
發(fā)明者趙江山, 李慧, 沙鵬飛, 宋興亮, 鮑洋, 彭卓君, 周翊, 王宇 申請人:中國科學(xué)院光電研究院