一種循環(huán)式激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明一種循環(huán)式激光器，由曲柄、連桿、激光器活動(dòng)部件和激光器固定部件組成；所述激光器活動(dòng)部件由左活塞，右活塞固定在活塞壁上組成，由此形成一個(gè)封閉的空腔結(jié)構(gòu)；右活塞和連桿采用活動(dòng)連接，將曲柄的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為激光器活動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)；所述激光器固定部件由陣列噴管和四塊腔鏡共同組成，陣列噴管安裝在激光器活動(dòng)部件腔體內(nèi)，四個(gè)腔鏡、兩兩相對(duì)的安裝在激光器活動(dòng)部件的活塞壁外，作用是在陣列噴管的左右兩側(cè)分別提取激光；激光器活動(dòng)部件腔體內(nèi)的氣體流動(dòng)方向與兩路光路相垂直。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)激光器工質(zhì)氣體的循環(huán)使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一種具有實(shí)用性的循環(huán)式氣動(dòng)激光器。
【專利說(shuō)明】一種循環(huán)式激光器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種循環(huán)式激光器，進(jìn)一步是指可以直接通過(guò)活塞運(yùn)動(dòng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為激光能的循環(huán)式氣動(dòng)激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]氣動(dòng)激光器是最早實(shí)現(xiàn)的高功率激光器，其基本原理是通過(guò)快速膨脹噴管實(shí)現(xiàn)氣流的快速降溫，降溫過(guò)程中氣體分子發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，形成激光增益介質(zhì)，再由光腔的腔鏡將氣流的內(nèi)能中的非平衡振動(dòng)能以激光能的形式提取出來(lái)。圖1是典型的氣動(dòng)激光器示意圖。
[0003]激光器能量源I通過(guò)燃燒或電激勵(lì)的方式在熱源室2中產(chǎn)生高溫高壓的氮?dú)?、二氧化碳、?或氦)氣體，氣體通過(guò)陣列噴管3的快速膨脹，實(shí)現(xiàn)氣流的快速降溫，溫度驟降過(guò)程二氧化碳分子發(fā)生差分弛豫，從而形成了大量粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的二氧化碳激光增益介質(zhì)。增益介質(zhì)在光腔6中向下游擴(kuò)壓器5方向流動(dòng)，介質(zhì)中存貯的非平衡振動(dòng)能在光腔6氣流兩側(cè)的腔鏡4作用下轉(zhuǎn)化為激光能輸出。出光后的廢氣通過(guò)擴(kuò)壓器5進(jìn)行減速，壓力和溫度得到一定程度的恢復(fù)，最后通過(guò)擴(kuò)壓器5排入大氣。
[0004]氣動(dòng)二氧化碳激光器發(fā)展至今，雖然最高功率超過(guò)幾十萬(wàn)瓦，但其缺點(diǎn)是效率非常低，熱光轉(zhuǎn)化效率僅有約I %。氣動(dòng)二氧化碳激光器效率低下的重要原因是激光器處于開(kāi)口運(yùn)行的情況，即氣流在光腔4中完成出光后，作為廢氣直接排入大氣。由于出光提取的能量只占?xì)饬骺們?nèi)能很小一部分，因此熱源室2產(chǎn)生的氣流內(nèi)能大部分都被浪費(fèi)。
[0005]為了提高循環(huán)效率，研究人員提出了循環(huán)式氣動(dòng)二氧化碳激光器的概念，即增益介質(zhì)氣體可以循環(huán)使用，從而大大提高整機(jī)效率。圖2是《氣動(dòng)激光技術(shù)》上給出的典型循環(huán)式氣動(dòng)激光器方案。
[0006]貯氣室11中高溫高壓的氣體通過(guò)陣列噴管12快速膨脹進(jìn)入光腔13，在腔鏡14的作用下提取出激光，出光后的廢氣通過(guò)擴(kuò)壓器9收集，氣流擴(kuò)壓過(guò)程中，總壓雖然有一定程度的回復(fù)，但仍然達(dá)不到貯氣室11所需的壓力水平，因此，擴(kuò)壓器9中收集到一定壓力和溫度的氣體進(jìn)入貯氣室11前，必須通過(guò)壓氣機(jī)9進(jìn)行重新增壓，考慮到壓氣機(jī)中的氣流是絕熱壓縮，壓力壓到貯氣室總壓后，氣體溫度必然會(huì)超過(guò)貯氣室所需的總溫，因此，重新壓縮后的氣流進(jìn)入貯氣室11之前，必須通過(guò)冷卻器10進(jìn)行冷卻，最終重新回到貯氣室11中的氣流初始高溫高壓狀態(tài)。
[0007]《氣動(dòng)激光器技術(shù)》指出，這種循環(huán)式氣動(dòng)激光器從功轉(zhuǎn)變?yōu)榧す廨椛涞男士梢越咏鼰崃W(xué)極限1，即循環(huán)式氣動(dòng)激光器的熱光轉(zhuǎn)化效率的熱力學(xué)極限可以達(dá)到卡諾機(jī)的效率，但是圖2方案的實(shí)現(xiàn)過(guò)程技術(shù)難度非常大，系統(tǒng)復(fù)雜。
[0008]如何通過(guò)巧妙的方案設(shè)計(jì)，以盡量簡(jiǎn)單可靠的方式實(shí)現(xiàn)氣流的循環(huán)利用和貯氣室高溫高壓氣體狀態(tài)復(fù)現(xiàn)，成為實(shí)現(xiàn)循環(huán)式氣動(dòng)激光器的難點(diǎn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，將機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)和氣動(dòng)激光器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)激光器工質(zhì)氣體的循環(huán)使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一種具有實(shí)用性的循環(huán)式氣動(dòng)激光器，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、轉(zhuǎn)化效率高。
[0010]本發(fā)明一種循環(huán)式激光器，由曲柄、連桿、激光器活動(dòng)部件和激光器固定部件組成；所述激光器活動(dòng)部件由左活塞，右活塞固定在活塞壁上組成，由此形成一個(gè)封閉的空腔結(jié)構(gòu)；右活塞和連桿采用活動(dòng)連接，將曲柄的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為激光器活動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)；所述激光器固定部件由陣列噴管和四塊腔鏡共同組成，陣列噴管安裝在激光器活動(dòng)部件腔體內(nèi)，四個(gè)腔鏡兩兩相對(duì)的安裝在激光器活動(dòng)部件的活塞壁外，在陣列噴管的左右兩側(cè)分別提取激光；激光器活動(dòng)部件腔體內(nèi)的氣體流動(dòng)方向與兩路光路相垂直。
[0011]本發(fā)明可以收到如下技術(shù)效果:
[0012]1、采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)二氧化碳激光器的陣列噴管相結(jié)合，形成了實(shí)用型的循環(huán)式氣動(dòng)二氧化碳激光器，完成從機(jī)械軸功到激光能的轉(zhuǎn)化，且功光轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)高于現(xiàn)有開(kāi)式循環(huán)的氣動(dòng)二氧化碳激光器。
[0013]2、本發(fā)明出光頻率具有方便可調(diào)的特點(diǎn)，出光頻率可以通過(guò)曲柄的轉(zhuǎn)速進(jìn)行方便的調(diào)節(jié)。
[0014]3、結(jié)構(gòu)具有很好的可放大性。隨著陣列噴管數(shù)量增加，激光器功率可以得到方便的放大。
[0015]4、系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，采用技術(shù)成熟的內(nèi)燃機(jī)或電動(dòng)機(jī)等軸功輸出裝置，結(jié)合激光器固定部件和激光器活動(dòng)部件，就可以方便的實(shí)現(xiàn)高效率的機(jī)械功-光轉(zhuǎn)化。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1:典型的氣動(dòng)激光器原理圖；
[0017]圖2:《氣動(dòng)激光技術(shù)》中的循環(huán)式氣動(dòng)激光器方案設(shè)想圖；
[0018]圖3:本發(fā)明循環(huán)式氣動(dòng)激光器方案圖；
[0019]圖4:本發(fā)明中激光器活動(dòng)部件和固定部件結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖4a:本發(fā)明中激光器活動(dòng)部件結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖4b:本發(fā)明中激光器固定部件結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖5:本發(fā)明循環(huán)式氣動(dòng)激光器一個(gè)周期工作過(guò)程示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0024]圖3是本發(fā)明的方案圖。圖4分別給出了激光器活動(dòng)部件25和激光器固定部件26的結(jié)構(gòu)圖。從圖3中可見(jiàn)，本發(fā)明提出的循環(huán)式氣動(dòng)激光器由曲柄24、連桿23、激光器活動(dòng)部件25、激光器固定部件26組成。曲柄24中心和軸功輸出裝置(如內(nèi)燃機(jī)或電動(dòng)機(jī)等)連接，曲柄24繞軸心做一定轉(zhuǎn)速的圓周運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)連桿23的一端進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，連桿23的另一端和右活塞16相鉸接。右活塞16、左活塞15以及活塞壁17共同組成了激光器活動(dòng)部件25，激光器活動(dòng)部件25作為整體在連桿23的帶動(dòng)下進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的周期由曲柄2的運(yùn)動(dòng)周期，即轉(zhuǎn)速所決定，直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的幅值(活塞運(yùn)動(dòng)到最左端和最右端之間的距尚)由曲柄24的長(zhǎng)度所決定。[0025]在激光器活動(dòng)部件25往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，激光器固定部件26保持不動(dòng)，激光器固定部件26由陣列噴管22以及四個(gè)腔鏡18、19、20、21所組成，陣列噴管22安裝在激光器活動(dòng)部件25腔體內(nèi)，四個(gè)腔鏡18、19、20、21兩兩相對(duì)的安裝在激光器活動(dòng)部件25的活塞壁17夕卜，在陣列噴管22的左右兩側(cè)分別提取激光；激光器活動(dòng)部件25腔體內(nèi)的氣體流動(dòng)方向與兩路光路相垂直，實(shí)現(xiàn)激光提取。陣列噴管數(shù)量越多，激光器功率可以得到放大；陣列噴管中各噴管之間的喉部與傳統(tǒng)氣動(dòng)激光器噴管一致。
[0026]為保證激光器的正常工作，激光器活動(dòng)部件25的腔體中預(yù)填充了工作氣體，工作氣體可以選用適當(dāng)配比的二氧化碳、氦氣、氮?dú)獾幕旌蠚?，其配比與傳統(tǒng)的氣體激光器相同。這些氣體在激光器活動(dòng)部件25的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，將會(huì)受到左活塞15或右活塞16的交替壓縮和抽吸作用，進(jìn)而在陣列噴管22兩側(cè)交替的形成穩(wěn)定的超聲速流場(chǎng)，產(chǎn)生周期性的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光增益介質(zhì)，這些增益介質(zhì)在腔鏡組的作用下提取出激光。
[0027]圖5給出了該激光提取過(guò)程的一個(gè)完整工作周期，具體說(shuō)明如下:
[0028]圖5a中的位置為該活塞運(yùn)動(dòng)周期的初始狀態(tài)，以該狀態(tài)作為分析的起點(diǎn)。此時(shí)，曲柄24和連桿23共線，角度為O度。激光器活動(dòng)部件25的左活塞15與右活塞16都位于最右端極限位置，活塞運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)向右，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)后，將對(duì)陣列噴管22右側(cè)的氣體進(jìn)行壓縮。
[0029]如圖5b，當(dāng)曲柄24運(yùn)動(dòng)到某個(gè)角度，對(duì)應(yīng)著右活塞16運(yùn)動(dòng)到相對(duì)于陣列噴管22的某個(gè)位置，假定該位置右活塞16左端面和陣列噴管中心距離為d，此時(shí)陣列噴管22右側(cè)的氣體由于受到右活塞16的快速壓縮作用，達(dá)到了一定的溫度和壓力，而陣列噴管22左側(cè)的氣體由于受到左活塞15的抽吸作用，形成了低溫低壓的環(huán)境，當(dāng)陣列噴管22左側(cè)和右側(cè)氣體的壓比達(dá)到臨界壓比時(shí)，在陣列噴管22左側(cè)形成穩(wěn)定的超聲速流場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了陣列噴管22左側(cè)的氣流粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，左側(cè)開(kāi)始輸出激光。
[0030]如圖5c，隨著曲柄24繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿23的運(yùn)動(dòng)，激光器活動(dòng)部件25運(yùn)動(dòng)到最左端位置，此時(shí)曲柄24和連桿23共線，角度為180度，陣列噴管22右側(cè)完成向左的排氣過(guò)程。隨著曲柄24的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，激光器活動(dòng)部件25的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)變?yōu)橄蛴摇?br> [0031]如圖5d，當(dāng)曲柄24運(yùn)動(dòng)到某個(gè)角度，對(duì)應(yīng)著左活塞15運(yùn)動(dòng)到相對(duì)于陣列噴管22的某個(gè)位置，假定該位置左活塞15右端面和陣列噴管中心距離為d，此時(shí)陣列噴管22左側(cè)的氣體由于受到左活塞15的快速壓縮作用，達(dá)到了一定的溫度和壓力，而陣列噴管22右側(cè)的氣體由于受到右活塞16的抽吸作用，形成了低溫低壓的環(huán)境，當(dāng)陣列噴管22右側(cè)和左側(cè)氣體的壓比達(dá)到臨界壓比時(shí)，在陣列噴管22右側(cè)形成穩(wěn)定的超聲速流場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了陣列噴管22右側(cè)的氣流粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，右側(cè)開(kāi)始輸出激光。
[0032]隨著曲柄24的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，曲柄24相對(duì)于起始位置旋轉(zhuǎn)了 360度，此時(shí)曲柄24和連桿23角度再次共線，激光器活動(dòng)部件25運(yùn)動(dòng)到最右端位置，陣列噴管22左側(cè)完成向右的排氣過(guò)程。隨著曲柄24的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，激光器活動(dòng)部件25的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)變?yōu)橄蜃?。到此完成了一個(gè)完整的循環(huán)式氣動(dòng)激光器工作周期，系統(tǒng)位置重新回復(fù)到圖5a的狀態(tài)。
[0033]氣動(dòng)激光器的出光頻率由曲柄的運(yùn)動(dòng)周期所決定。
[0034]雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)作出各種變形或修改。
【權(quán)利要求】
1.一種循環(huán)式激光器，由曲柄(24)、連桿(23)、激光器活動(dòng)部件(25)和激光器固定部件(26)組成； 所述激光器活動(dòng)部件(25)由左活塞(15)，右活塞(16)、活塞壁(17)組成，形成一個(gè)封閉的空腔結(jié)構(gòu)；右活塞(16)和連桿(23)采用活動(dòng)連接，將曲柄(24)的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為激光器活動(dòng)部件(25)的直線運(yùn)動(dòng)； 所述激光器固定部件(26)由陣列噴管(22)和四塊腔鏡(18、19、20、21)共同組成，陣列噴管(22)安裝在激光器活動(dòng)部件(25)腔體內(nèi)，四個(gè)腔鏡(18、19、20、21)兩兩相對(duì)的安裝在激光器活動(dòng)部件(25)的活塞壁(17)外，在陣列噴管(22)的左右兩側(cè)分別提取激光；激光器活動(dòng)部件(25)腔體內(nèi)的氣體流動(dòng)方向與兩路光路相垂直。
2.如權(quán)利要求1所述的一種循環(huán)式激光器，其特征在于所述陣列噴管中各噴管的喉部與傳統(tǒng)氣動(dòng)激光器噴管一致。
3.如權(quán)利要求1所述的一種循環(huán)式激光器，其特征在于所述陣列噴管數(shù)量越多，激光器功率放大倍數(shù)越大。
4.如權(quán)利要求1所述的一種循環(huán)式激光器，其特征在于所述激光器活動(dòng)部件(25)的腔體中預(yù)填充了工作氣體，工作氣體為二氧化碳、氦氣、氮?dú)獾幕旌蠚狻?br> 【文檔編號(hào)】H01S3/03GK103972771SQ201310382525
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】賴林, 周進(jìn), 何剛 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)