專(zhuān)利名稱(chēng)：氣動(dòng)冷卻電激勵(lì)氣體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬激光技術(shù)領(lǐng)域。
隨著激光深穿透焊接、切割和大面積激光表面強(qiáng)化等激光加工應(yīng)用的發(fā)展，對(duì)高功率、高光束質(zhì)量激光器的需求日益迫切，而制約高功率、高光束質(zhì)量激光器發(fā)展的主要技術(shù)障礙，是如何獲得大體積、穩(wěn)定均勻輝光放電和增益媒質(zhì)空間分布均勻性。近年來(lái)，氣體激光器在激勵(lì)電源，電極結(jié)構(gòu)兩方面取得了很大進(jìn)展，但激光介質(zhì)的冷卻方式仍局限在擴(kuò)散冷卻和對(duì)流冷卻兩種。擴(kuò)散冷卻激光器由于受放電間距的限制(一般僅為幾毫米)，放電總體積較小，輸出激光功率目前僅為千瓦級(jí)。對(duì)流冷卻激光器的最大優(yōu)點(diǎn)是可以獲得大體積、穩(wěn)定均勻的輝光放電和良好的激光介質(zhì)冷卻效果，激光輸出功率可高達(dá)數(shù)萬(wàn)瓦，但激光器內(nèi)部必要安裝激光風(fēng)機(jī)和熱交換器，導(dǎo)致激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，且諧振腔內(nèi)激活媒質(zhì)的空間均勻性較差。特別是由于激光風(fēng)機(jī)流量和熱交換器換熱能力的限制，這類(lèi)激光器輸出激光功率進(jìn)一步提高尚存在不少技術(shù)困難。為了避開(kāi)激光風(fēng)機(jī)和熱交換器的限制，日本防衛(wèi)廳第一研究中心的H.Hara和A.Jujisawa早在1980年就提出了下游混合、超音速?lài)姽芙^熱膨脹冷卻的CO2激光器結(jié)構(gòu)，《物理雜志》(H.Hara and A.Jujisawa,《Joumalde physique》,collogue cq,Nov.1980,P.C9.203～209)，獲得了11m-1的極高小信號(hào)增益，但該實(shí)驗(yàn)裝置采用雙園筒放電電極，注入放電功率較低。
1984年，法國(guó)Laserdot公司采用下游混合、超音速?lài)姽芾鋮s技術(shù)，研制成功了40KW電激勵(lì)CO2激光器，光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角僅為1.7倍衍射極限《激光報(bào)告》(Laser raport,July,1,1993,P5)，但該激光器結(jié)構(gòu)未作公開(kāi)報(bào)導(dǎo)。1993年，德國(guó)DLR技術(shù)物理所的H.V.Blow和E.Zeytan采用射頻激勵(lì)，超音速?lài)姽芾鋮s技術(shù)，在不使用液氮冷卻的條件下，獲得了1千瓦CO激光輸出《科學(xué)儀器評(píng)論》(H.V.BülowBlow and E.Zeytang,《REV.Sci.Instrum)》,Vol.64,No.7,1993,P1764～1769)。俄羅斯LOK公司采用電子束預(yù)電離和超音速?lài)姽芾鋮s技術(shù)，研制成功了200KW CO激光器，連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)8小時(shí)《激光報(bào)告》(Laser,report.circle,No14-16,1993)。顯示了下游混合，氣動(dòng)冷卻技術(shù)在氣體激光器中良好的應(yīng)用前景。遺憾的是，所有這些激光器的激光工質(zhì)大部分是昂貴的He氣，因而運(yùn)行成本較高。
本發(fā)明的目的是提供一種在不使用昂貴工質(zhì)He氣及激光風(fēng)機(jī)和熱交換器條件下，以提高工業(yè)用CO2激光器注入電功率密度和電光轉(zhuǎn)換效率，減小激光頭體積和重量，提高激光輸出功率和改善光束質(zhì)量為目的的能實(shí)現(xiàn)大體積均勻輝光放電和下游混合(或預(yù)混合)超音速?lài)姽芾鋮s的氣體激光裝置。應(yīng)用本發(fā)明裝置，還可在不使用液氮冷卻的條件下，獲得高功率、高光束質(zhì)量CO激光輸出。
本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)措施實(shí)施，它由貯氣室3，放電室15和混合激勵(lì)室20三大組件構(gòu)成，所述列陣噴管陰極6將貯氣室3和放電室15分隔為相互獨(dú)立的兩個(gè)空間。在放電室內(nèi)，陰極列陣噴管氣流方向與列陣陰極針?lè)烹姺较蛞恢?，每根陰極針的放電特征互不干擾，易于實(shí)現(xiàn)大體積穩(wěn)定均勻輝光放電；所述列陣噴管陽(yáng)極19將放電室15和混合激勵(lì)室20分隔為獨(dú)立的兩個(gè)空間。以激光束輸出方向?yàn)閰⒖驾S，在放電室15內(nèi)，列陣陰極針?lè)烹姺较虼怪庇诠廨S；而在混合激勵(lì)室20內(nèi)，激活介質(zhì)流動(dòng)方向則與光軸一致，實(shí)現(xiàn)了大體積橫向針板放電和縱向氣體流動(dòng)雙重目的，可獲得高功率，高光束質(zhì)量激光輸出。所述貯氣室3是由陰極針固定板1，放電室上蓋板4，列陣噴管陰極6構(gòu)成。陰極針固定板1由耐高溫的絕緣材料制作。在固定板上均勻排列多個(gè)小孔，陰極針穿過(guò)小孔并與固定板粘接成一體，該組件通過(guò)絕緣膠與放電室上蓋板4連成一體。放電室上蓋板4沿縱向開(kāi)有多個(gè)氮?dú)?N2)進(jìn)氣孔5，以便將激光工作氣體N2引入貯氣室3。上蓋板4還開(kāi)有測(cè)壓孔28和29，分別測(cè)量貯氣室3和放電室15的氣體靜壓，并通過(guò)緊固螺釘25與左右側(cè)墻板9、11連為一體；所述列陣噴管陰極6由耐高溫的絕緣材料制作。陰極列陣噴管由多個(gè)對(duì)稱(chēng)排列的園錐(或園柱)小孔7組成，園錐(或園柱)小孔7分布與陰極針2分布一一對(duì)應(yīng)，以使陰極針2穿過(guò)園錐(或園柱)小孔的軸心，在園錐(或園柱)小孔與陰極針之間形成環(huán)形擴(kuò)張(或環(huán)形)噴管8，貯氣室氣體經(jīng)過(guò)絕熱膨脹進(jìn)入放電室15，達(dá)到激光工作氣體預(yù)先冷卻的目的.陰極列陣噴管通過(guò)緊固螺釘34與放電室上蓋板4連為一體，并由O形圈35保證貯氣室3與放電室15之間的良好密封。所述放電室15是由上蓋板4，側(cè)墻板9、11，列陣噴管陽(yáng)極19構(gòu)成的一個(gè)腔體。其側(cè)墻板9、11由抗水浸蝕的絕緣材料制作。側(cè)墻板上開(kāi)有冷卻水槽13和進(jìn)、出水小孔12，在靠近放電室一側(cè)粘貼有耐高溫的絕緣薄板10。側(cè)墻板上、下端面開(kāi)有密封槽36和37，并通過(guò)緊固螺釘27與上蓋板4和噴管陽(yáng)極19連為一體，陰極針端點(diǎn)與陽(yáng)極噴管之間的距離稱(chēng)為放電間距，由激光器的放電電壓和放電室氣體壓力共同決定，這種結(jié)構(gòu)使放電室每根陰極針的放電方向與氣體流動(dòng)方向相同，針與針之間的放電特性互不干擾，具有良好的放電穩(wěn)定性和均勻性，放電室兩端安裝有觀(guān)察窗27。列陣噴管陽(yáng)極19由無(wú)氧銅或紫銅制作，該列陣噴管具有下游混合和預(yù)混合兩種使用狀態(tài)，陽(yáng)極列陣噴管開(kāi)有兩組相互獨(dú)立的列陣園錐(或園柱)小孔16和18。列陣小孔16為主噴管，它與放電室15和混合激勵(lì)室20相通，以使放電區(qū)內(nèi)被電子碰撞激發(fā)的能量載體N2氣通過(guò)噴管絕熱膨脹后進(jìn)入混合激勵(lì)室20。列陣小孔18為下游混合噴管，它與二氧化碳(CO2)進(jìn)氣管17和混合激勵(lì)室20相通，以使激光媒質(zhì)CO2與被激發(fā)的N2氣在混合激勵(lì)室進(jìn)行能量共振轉(zhuǎn)移激發(fā)(或稱(chēng)下游混合激發(fā))。N2氣主噴管和CO2下游混合噴管沿光軸方向均勻分布，其噴管喉道直徑和數(shù)目分別由放電室氣體壓力，CO2管進(jìn)氣壓力以及N2氣和CO2的混合比和質(zhì)量流量決定。預(yù)混合與下游混合使用狀態(tài)不同的是列陣噴管陽(yáng)極19只使用一組列陣小孔16，不使用CO2(或CO)進(jìn)氣管17和列陣小孔18，激光激活媒質(zhì)CO2氣體與工質(zhì)N2氣一起經(jīng)進(jìn)氣管5進(jìn)入放電室3，再經(jīng)陰極列陣噴管8絕熱膨脹冷卻后到放電室15直接受激激發(fā)。噴管陽(yáng)極19開(kāi)有多排冷卻小孔14，以使陽(yáng)極保持良好的冷卻效果。所述混合激勵(lì)室20由上端開(kāi)口的混合管22和列陣噴管陽(yáng)極19構(gòu)成。混合管22的開(kāi)口面焊有連接法蘭21，外徑由水套23包圍。水套23與連接法蘭21焊為一體，其上開(kāi)有進(jìn)、出水孔24，以使混合管保持良好冷卻。在混合管兩端焊有抽氣室33。抽氣室33由端蓋31、32和抽氣管30構(gòu)成，端蓋31分別與法蘭盤(pán)21，混合管22焊為一體。端蓋32將與激光諧振腔聯(lián)接，以形成激光振蕩輸出。混合激勵(lì)室組件通過(guò)緊固螺釘27與陽(yáng)極列陣噴管和放電室組件相連，并由O形圈38保證密封。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明最突出的優(yōu)點(diǎn)在于1．采用了陰極列陣噴管絕熱膨脹技術(shù)對(duì)放電區(qū)工作氣體進(jìn)行預(yù)冷卻，有利于降低放電室工作氣體溫度。且由于每根陰極針置于陰極列陣噴管的軸心，不僅陰極針本身獲得良好冷卻效果，而且確保了每根針的放電方向與陰極列陣噴管的氣體流動(dòng)方向一致(現(xiàn)有橫向針板放電技術(shù)的陰極放電方向與氣流方向正交)，針與針之間的放電特性相互獨(dú)立，互不干擾(現(xiàn)有橫向針板放電技術(shù)的上游陰極針對(duì)下游陰極針有較強(qiáng)的預(yù)電離作用)。增加陰極針的排、列數(shù)量，對(duì)放電室的放電穩(wěn)定性和均勻性沒(méi)有影響，易于實(shí)現(xiàn)超大體積的穩(wěn)定均勻輝光放電和幾十至幾百千瓦超高功率激光輸出。
2．兩組相互獨(dú)立的列陣噴管陽(yáng)極小孔的巧妙應(yīng)用，使本發(fā)明裝置可在下游混合和預(yù)混合兩種工況條件下使用。該陽(yáng)極列陣噴管將氣體激光的放電區(qū)域與激光激發(fā)振蕩區(qū)域分隔為兩個(gè)相互獨(dú)立的空間，以激光束輸出方向?yàn)閰⒖驾S，在放電室內(nèi)，列陣陰極放電方向垂直于光軸；而在混合激勵(lì)室內(nèi)，激活介質(zhì)流動(dòng)方向則與光軸一致，它不僅使下游混合技術(shù)成為可能，也成功解決了橫向多針板大體積均勻輝光放電和縱向氣體流動(dòng)的技術(shù)難題，使本發(fā)明裝置同時(shí)兼有橫流激光器輸出激光功率高，縱流激光器輸出光束質(zhì)量好的雙重優(yōu)點(diǎn)。
3．由于陰極和陽(yáng)極兩級(jí)列陣噴管的絕熱膨脹作用，混合激勵(lì)室的氣體溫度可以達(dá)到極低值。合理選擇貯氣室工質(zhì)氣體的工作壓力和抽氣室泵的抽速，可使本發(fā)明裝置在不使用液氮冷卻的條件下，實(shí)現(xiàn)CO激光輸出，也可以在沒(méi)有昂貴工質(zhì)He氣和不使用激光風(fēng)機(jī)及熱交換器條件下，獲得高增益，高電光轉(zhuǎn)換效率的CO2強(qiáng)激光輸出，大大減少了CO2激光頭的體積和重量，有利于工業(yè)CO2激光器的小型化。


圖1為本發(fā)明裝置橫截面剖視圖。
圖2為本發(fā)明裝置縱截面剖視圖。
權(quán)利要求
1．一種氣動(dòng)冷卻電激勵(lì)氣體激光器，它由貯氣室(3)，放電室(15)和混合激勵(lì)室(20)三大組件構(gòu)成，其特征為(1)所述列陣噴管陰極(6)將貯氣室(3)和放電室(15)分隔為相互獨(dú)立的兩個(gè)空間，在放電室內(nèi)，陰極列陣噴管氣流方向與列陣陰極針?lè)烹姺较蛞恢拢扛帢O針的放電特征互不干擾，易于實(shí)現(xiàn)大體積穩(wěn)定均勻輝光放電；所述列陣噴管陽(yáng)極(19)將放電室(15)和混合激勵(lì)室(20)分隔為獨(dú)立的兩個(gè)空間，以激光束輸出方向?yàn)閰⒖驾S，在放電室(15)內(nèi)，列陣陰極針?lè)烹姺较虼怪庇诠廨S；而在混合激勵(lì)室(20)內(nèi)，激活介質(zhì)流動(dòng)方向則與光軸一致，實(shí)現(xiàn)了大體積橫向針板放電和縱向氣體流動(dòng)雙重目的，可獲得高功率，高光束質(zhì)量激光輸出；(2)所述貯氣室(3)是由陰極針固定板(1)，放電室上蓋板(4)，列陣噴管陰極(6)構(gòu)成的一個(gè)腔體，其陰極針固定板(1)由耐高溫的絕緣材料制作，在固定板上均勻排列多個(gè)小孔，陰極針穿過(guò)小孔并與固定板粘接成一體，該組件通過(guò)絕緣膠與放電室上蓋板(4)連成一體，放電室上蓋板(4)沿縱向開(kāi)有多個(gè)氮?dú)?N2)進(jìn)氣孔(5)，以便將激光工作氣體N2引入貯氣室(3)，上蓋板(4)還開(kāi)有測(cè)壓孔(28)和(29)，分別測(cè)量貯氣室(3)和放電室(15)的氣體靜壓，并通過(guò)緊固螺釘(25)與左右側(cè)墻板(9)，(11)連為一體；(3)所述列陣噴管陰極(6)由耐高溫的絕緣材料制作，陰極列陣噴管由多個(gè)對(duì)稱(chēng)排列的園錐(或園柱)小孔(7)組成，園錐(或園柱)小孔(7)分布與陰極針(2)分布一一對(duì)應(yīng)，以使陰極針(2)穿過(guò)園錐(或園柱)小孔的軸心，在園錐(或園柱)小孔與陰極針之間形成環(huán)形擴(kuò)張(或環(huán)形)噴管(8)，貯氣室氣體經(jīng)過(guò)絕熱膨脹進(jìn)入放電室(15)，達(dá)到激光工作氣體預(yù)先冷卻的目的，陰極列陣噴管通過(guò)緊固螺釘(34)與放電室上蓋板(4)連為一體，并由O形圈(35)保證貯氣室(3)與放電室(15)之間的良好密封；(4)所述放電室(15)是由上蓋板(4)，側(cè)墻板(9)、(11)，列陣噴管陽(yáng)極(19)構(gòu)成的一個(gè)腔體，其側(cè)墻板(9)、(11)由抗水浸蝕的絕緣材料制作，側(cè)墻板上開(kāi)有冷卻水槽(13)和進(jìn)、出水小孔(12)，在靠近放電室一側(cè)粘貼有耐高溫的絕緣薄板(10)，側(cè)墻板上、下端面開(kāi)有密封槽(36)和(37)，并通過(guò)緊固螺釘(27)與上蓋板(4)和噴管陽(yáng)極(19)連為一體，放電室兩端安裝有觀(guān)察窗(27)，列陣噴管陽(yáng)極(19)由無(wú)氧銅或紫銅制作，該列陣噴管具有下游混合和預(yù)混合兩種使用狀態(tài)，陽(yáng)極列陣噴管開(kāi)有兩組相互獨(dú)立的列陣園錐(或園柱)小孔(16)和(18)，列陣小孔(16)為主噴管，它與放電室(15)和混合激勵(lì)室(20)相通，以使放電區(qū)內(nèi)被電子碰撞激發(fā)的能量載體N2氣通過(guò)噴管絕熱膨脹后進(jìn)入混合激勵(lì)室(20)，列陣小孔(18)為下游混合噴管，它與二氧化碳(CO2)進(jìn)氣管(17)和混合激勵(lì)室(20)相通，以使激光媒質(zhì)CO2與被激發(fā)的N2氣在混合激勵(lì)室進(jìn)行能量共振轉(zhuǎn)移激發(fā)(或稱(chēng)下游混合激發(fā))，N2氣主噴管和CO2下游混合噴管沿光軸方向均勻分布，其噴管喉道直徑和數(shù)目分別由放電室氣體壓力，CO2管進(jìn)氣壓力以及N2氣和CO2的混合比和質(zhì)量流量決定，預(yù)混合與下游混合使用狀態(tài)不同的是列陣噴管陽(yáng)極(19)只使用一組列陣小孔(16)，不使用CO2(或CO)進(jìn)氣管(17)和列陣小孔(18)，激光激活媒質(zhì)CO2氣體與工質(zhì)N2氣一起經(jīng)進(jìn)氣管(5)進(jìn)入放電室(3)，再經(jīng)陰極列陣噴管(8)絕熱膨脹冷卻后到放電室(15)直接受激激發(fā)，噴管陽(yáng)極(19)開(kāi)有多排冷卻小孔(14)，以使陽(yáng)極保持良好的冷卻效果；(5)所述混合激勵(lì)室(20)由上端開(kāi)口的混合管(22)和列陣噴管陽(yáng)極(19)構(gòu)成，混合管(22)的開(kāi)口面焊有連接法蘭(21)，外徑由水套(23)包圍，水套(23)與連接法蘭(21)焊為一體，其上開(kāi)有進(jìn)、出水孔(24)，以使混合管保持良好冷卻，在混合管兩端焊有抽氣室(33)，抽氣室(33)由端蓋(31)、(32)和抽氣管(30)構(gòu)成，端蓋(31)分別與法蘭盤(pán)(21)，混合管(22)焊為一體，端蓋(32)將與激光諧振腔聯(lián)接，以形成激光振蕩輸出，混合激勵(lì)室組件通過(guò)緊固螺釘(27)與陽(yáng)極列陣噴管和放電室組件相連，并由O形圈(38)保證密封。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光技術(shù)。特別適用于產(chǎn)生高功率、高光束質(zhì)量輸出的,下游混合(或預(yù)混合)、氣動(dòng)冷卻電激勵(lì)氣體激光器。該激光器主要由貯氣室、陰極列陣噴管、放電室,陽(yáng)極列陣噴管,混合激勵(lì)室,諧振腔及激光電源組成。最大優(yōu)點(diǎn)是在不使用昂貴工質(zhì)He氣及激光風(fēng)機(jī)和熱交換器條件下,在緊湊的激光頭體積內(nèi)獲得高功率、高光束質(zhì)量激光輸出。
文檔編號(hào)H01S3/22GK1213200SQ9710926
公開(kāi)日1999年4月7日 申請(qǐng)日期1997年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月30日
發(fā)明者程祖海 申請(qǐng)人:華中理工大學(xué)