專利名稱：熱容氣體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高平均功率橫向激勵大氣壓的二氧化 碳激光器，是一種熱容氣體激光器。
背景技術(shù)：
高重復(fù)頻率、高平均功率橫向激勵大氣壓二氧化碳激光器(TEAO)2激光器)在高 能激光物理研究、激光推進(jìn)技術(shù)研究和激光防雷電技術(shù)研究等技術(shù)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用?，F(xiàn) 有的TEA CO2激光器，其平均功率最大可達(dá)萬瓦數(shù)量級。由于在電激勵技術(shù)上的進(jìn)步，進(jìn)一 步大幅度提高平均功率已無大的障礙，重要的技術(shù)障礙是激光器的冷卻技術(shù)?，F(xiàn)有的冷卻 技術(shù)有兩種。第一種是封閉氣體循環(huán)流動型，第二種是氣體開放流出型，各有其優(yōu)缺點。然 而對于進(jìn)一步將平均功率大幅度提高到IOOkW甚至IMW量級則都不切實用。因此冷卻技術(shù) 成為發(fā)展大功率TEA CO2激光器的技術(shù)“瓶頸”。
封閉氣體循環(huán)流動型激光器是在激光器腔體內(nèi)部設(shè)置風(fēng)機(jī)和水冷散熱器，風(fēng)機(jī)在 腔體內(nèi)產(chǎn)生高速循環(huán)氣流，將放電區(qū)產(chǎn)生的熱氣體輸送到散熱器中，經(jīng)過冷卻后再輸送回 放電區(qū)。如此循環(huán)不已，達(dá)到產(chǎn)生高脈沖重復(fù)頻率、高平均功率激光的目的。萬重怡等采用 這種方法在一臺紫外光預(yù)電離型TEA 0)2激光器上獲得了 12kW平均功率激光輸出(Chongyi Wan et al，Proc. SPIE，2005，5777 :426-432)。雖然采用這種方法還可繼續(xù)提高激光輸出 功率，但是由于用于產(chǎn)生高速氣流的風(fēng)機(jī)需要大約三分之一的電功率，且體積和重量龐大， 因此對進(jìn)一步大幅度提高激光功率不是一個好的選擇。另一方面，氣體開放流出型TEA CO2 激光器是一種最直接的冷卻方式激光混合氣體從高壓氣瓶經(jīng)減壓閥后流過放電區(qū)，放電 產(chǎn)生的“廢氣”直接排出到大氣中。G. J. Dezenbery等采用這種方法在一臺電子束控制(X)2 激光器上獲得了 28kW平均功率激光輸出(G. J. Dezenbery, et al.，AIAA-81-1131)。這種 方法簡單易行，但在大功率激光器情況下由于消耗大量稀有貴重氣體，且造成環(huán)境污染，因 此也不是一個好的選擇。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種熱容氣體激光器，帶有高壓儲氣瓶、儲氣袋、氣體壓縮 機(jī)、高壓氣體輸出閥門組和高壓氣體返回閥門組，在放電區(qū)內(nèi)形成大氣壓高速氣流以便進(jìn) 行高重復(fù)頻率脈沖放電產(chǎn)生高平均功率激光，并且激光氣體可以循環(huán)使用，是具有高重復(fù) 頻率、高平均功率的橫向激勵大氣壓二氧化碳?xì)怏w激光器(TEA CO2激光器)。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種熱容氣體激光器，包括激光器腔體、主放電電極、預(yù)電離器、激光諧振腔、高壓 儲氣瓶組、高氣壓輸出閥門組、氣體噴嘴組、導(dǎo)流板、高壓脈沖放電電源、真空泵、真空閥門， 各部件按常規(guī)連接；其還包括儲氣袋、高氣壓返回閥門組和氣體壓縮機(jī)；在激光器腔體一 側(cè)設(shè)有氣體噴嘴組，相對的另一側(cè)壁上設(shè)有一長條形通孔，長條形通孔與儲氣袋密閉式相 連通；在高壓儲氣瓶和激光器腔體之間有兩路連接一路，激光發(fā)射過程中，激光混合氣體從氣體噴嘴組高速噴射出，流經(jīng)激光器腔體，流入儲氣袋，使氣袋膨脹；另一路，激光發(fā)射結(jié) 束后，由氣體壓縮機(jī)將儲氣袋內(nèi)的激光混合氣體經(jīng)過高氣壓返回閥門組緩慢地壓縮回高壓 儲氣瓶組，供激光器下一次試驗時使用，此時儲氣袋縮小回到原狀態(tài)，折疊收藏；折疊收藏 時儲氣袋仍通過長條形通孔和激光器腔體維持密閉式相連通。
所述的熱容氣體激光器，其所述長條形通孔與儲氣袋密閉式相連通，是長條形通 孔為一長條形真空密封法蘭開口，儲氣袋是一個柔性的可折疊的密封袋，有一個長條形真 空密封法蘭開口，兩法蘭開口相互密封對接后連通。
所述的熱容氣體激光器，其所述激光混合氣體是二氧化碳激光混合氣體、一氧化 碳激光混合氣體或準(zhǔn)分子激光混合氣體其中之一。
所述的熱容氣體激光器，其還包括一氣體清潔還原裝置，位于氣體壓縮機(jī)輸入口 與激光器腔體相連的大氣壓/真空管路中，以將激光氣體的成份還原成純凈的狀態(tài)。
所述的熱容氣體激光器，其所述的氣體清潔還原裝置是一個容器，內(nèi)含有除氧劑。
所述的熱容氣體激光器，其所述的氣體清潔還原裝置容器中含有鉬催化劑、或含 有氧化錫和氧化錳催化劑。
所述的熱容氣體激光器，其還包括一熱交換器，位于氣體壓縮機(jī)輸入口與激光器 腔體相連的大氣壓/真空管路中，以使激光混合氣體冷卻。
所述的熱容氣體激光器，其所述的熱交換器為水冷式熱交換器。
本發(fā)明熱容氣體激光器能滿足應(yīng)用中對高平均功率(X)2激光輸出的需求，在高能 激光物理研究、激光推進(jìn)技術(shù)研究和激光防雷技術(shù)研究等技術(shù)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。本 發(fā)明的技術(shù)也適用于準(zhǔn)分子激光器和一氧化碳激光器等氣體激光器。


圖1 (a)是本發(fā)明熱容氣體激光器的正視圖橫截面示意圖1 (b)是本發(fā)明熱容氣體激光器的側(cè)視圖橫截面示意圖。
具體實施方式
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征及結(jié)構(gòu)，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)描述。
請參閱圖1 (a)和圖1 (b)，熱容氣體激光器是一種高重復(fù)頻率、高平均功率橫向激 勵大氣壓二氧化碳?xì)怏w激光器，包括激光器腔體1，主放電電極2，預(yù)電離器3，激光諧振腔 4，高壓儲氣瓶組5，高氣壓輸出閥門組6，氣體噴嘴組7，前導(dǎo)流板8，后導(dǎo)流板9，儲氣袋10， 氣體壓縮機(jī)11，高氣壓返回閥門組12，高壓脈沖放電電源13，真空泵14，真空閥門15等。其 中主放電電極2為一對成型電極，電極面型和電極間距設(shè)計保證能在電極間形成一個均勻 的放電區(qū)。預(yù)電離器3在主放電之前進(jìn)行預(yù)電離脈沖放電，能在主放電區(qū)產(chǎn)生分布均勻的 預(yù)電離電子，以保證后續(xù)的主放電為均勻的輝光放電，避免形成電弧。激光混合氣體儲存于 高壓儲氣瓶組5中，典型的激光混合氣體是二氧化碳、氮和氦氣，其混合比可根據(jù)具體的放 電條件和所需的激光參量由試驗而改變，典型的數(shù)值例是二氧化碳氮氦=1 1 8。 高壓氣瓶組5中的每一個氣瓶各有一個高氣壓輸出閥門和一個高氣壓返回閥門。高壓氣瓶 組5與激光器腔體1之間有兩路連接第一路是高壓氣瓶組5通過多數(shù)個高氣壓管道和氣 體噴嘴組7連通，管道中設(shè)有高氣壓輸出閥門，氣體噴嘴組7安裝于激光器腔體1的一側(cè)，4均勻分布排列正對放電區(qū)。高壓氣瓶組5、高氣壓輸出閥門組6和氣體噴嘴組7中的高壓氣 瓶、高氣壓輸出閥門、氣體噴嘴都是多數(shù)個，其中，第一種情況高壓氣瓶、高氣壓管道、高氣 壓輸出閥門、氣體噴嘴一一對應(yīng)，數(shù)目相同。第二種情況高壓氣瓶、高氣壓管道、高氣壓輸 出閥門、氣體噴嘴四者數(shù)目并不一定相同。如高壓氣瓶、高氣壓管道、高氣壓輸出閥門數(shù)小 于氣體噴嘴數(shù)，其中，高氣壓輸出閥門組6中的每一個閥門先與一個輸出總高氣壓管道連 通，然后該輸出總管道再經(jīng)若干分管道和氣體噴嘴連通。第二路是高壓氣瓶組5、高氣壓返 回閥門組12、氣體壓縮機(jī)11與激光器腔體1連通。由于氣體壓縮機(jī)11只需一臺或少數(shù)幾 臺，而高氣壓返回閥門組12是多數(shù)個，因此高氣壓返回閥門組12中的每一個閥門通過高氣 壓管道先和一個總高氣壓管道連通，然后該總高氣壓管道再和氣體壓縮機(jī)11連通，氣體壓 縮機(jī)11再通過一大氣壓/真空管道與激光器腔體1連通(氣體壓縮機(jī)11通常還自帶一個 高氣壓輸出閥門和一個大氣壓/真空輸入閥門)。氣體壓縮機(jī)11與激光器腔體1連通的大 氣壓/真空管道口的位置可以有很大的靈活性，在圖中是位于相對于氣體噴嘴組7的激光 器腔體1的另一側(cè)底面。
儲氣袋10是一個柔性的可折疊的密封袋，有一個長條形真空密封法蘭開口。開口 的長度大于主放電電極2的長度，高度大于電極間距。在激光器腔體1相對于氣體噴嘴組 7的另一側(cè)壁上設(shè)有一個同樣大小的長條形真空密封法蘭開口，與儲氣袋10的法蘭開口密 閉式相連通。儲氣袋10采用標(biāo)準(zhǔn)的氣球制造技術(shù)生產(chǎn)，類似于氦氣球或氫氣球的制造技 術(shù)，所用材料為橡膠類柔性材料。當(dāng)袋中氣壓為負(fù)壓時，儲氣袋體積接近零，可以折疊緊貼 激光器腔體1側(cè)壁收藏。折疊收藏時儲氣袋10仍通過長條形通孔和激光器腔體1維持密 閉式相連通。當(dāng)儲氣袋10中充氣略大于1大氣壓時，儲氣袋10體積不斷隨充氣量的增加 而增大，直至額定設(shè)計體積仍維持袋中氣壓略大于1大氣壓。進(jìn)一步往儲氣袋10內(nèi)充氣將 使袋內(nèi)氣壓上升導(dǎo)致儲氣袋10破裂。儲氣袋10的額定設(shè)計體積等于高壓儲氣瓶組5中按 大氣壓計算的貯存的激光氣體總量(見后面給出的設(shè)計例)。
激光器開始運轉(zhuǎn)前，高壓氣瓶組5中儲存有高氣壓激光氣體，高氣壓輸出閥門組6 和高氣壓返回閥門組12處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟真空泵14，抽空其他各部分的雜氣，然后關(guān)閉 真空閥門15。
當(dāng)激光器開始運轉(zhuǎn)時，打開高氣壓閥門組6，激光氣體從氣體噴嘴組7高速流出， 經(jīng)過前導(dǎo)流板8進(jìn)入放電區(qū)，在放電區(qū)內(nèi)形成大氣壓高速氣流。啟動高壓脈沖電源13，主放 電電極2在放電區(qū)產(chǎn)生高重復(fù)頻率脈沖放電，通過激光諧振腔4產(chǎn)生高平均功率激光輸出。 在放電區(qū)進(jìn)行脈沖放電后，激光氣體通過后導(dǎo)流板9流進(jìn)儲氣袋10中。儲氣袋10在氣流 的沖擊下膨脹。激光發(fā)射結(jié)束后，關(guān)閉高氣壓輸出閥門組6，打開高氣壓返回閥門組12，將 高壓氣瓶組5轉(zhuǎn)換連接到氣體壓縮機(jī)11，啟動壓縮機(jī)將儲氣袋10中的激光氣體緩慢地壓 回高壓儲氣瓶組5，然后關(guān)閉高氣壓返回閥門組12，高壓儲氣瓶組5中的高氣壓激光氣體可 供激光器下一次試驗使用。儲氣袋10重新縮小回到原狀態(tài)，便于收藏。在將激光氣體從儲 氣袋10壓縮回高壓儲氣瓶組5里的過程中可經(jīng)過一個小型氣體清潔還原裝置(圖中沒示 出)，氣體清潔還原裝置位于氣體壓縮機(jī)11輸入口與激光器腔體1相連的大氣壓/真空管 路中，使激光氣體的成份還原成純凈的狀態(tài)；氣體清潔還原裝置是一個含有除氧劑的容器， 或是一個含有鉬催化劑的容器，或是一個含有氧化錫和氧化錳催化劑的容器。在將激光氣 體從儲氣袋10壓縮回高壓儲氣瓶組5的過程中也可經(jīng)過一個小型熱交換器(圖中沒示出)使激光氣體冷卻。小型熱交換器位于氣體壓縮機(jī)11輸入口與激光器腔體1相連的大氣壓/ 真空管路中。熱交換器可為水冷熱交換器。這兩個小型裝置可根據(jù)情況酌情增減，可同時 設(shè)置，或選其一。
本發(fā)明熱容氣體激光器使用儲氣袋10儲存放電后的激光氣體，儲氣袋10的形狀 不限于球形，可以是圓柱形、矩形或球形等多種形狀，根據(jù)實際使用的場地情況而選用。儲 氣袋10的制造技術(shù)即氣球的制造技術(shù)，是一項高度發(fā)展了的成熟的技術(shù)，在此不再贅述。 國內(nèi)外盛大節(jié)日中采用的色彩繽紛的氣球就是用了這種技術(shù)。巨大的飛船利用氣球產(chǎn)生的 空氣浮力升上高空，飄洋過海。氣球制造技術(shù)的可靠性是經(jīng)過實踐檢驗證明過的。
在本發(fā)明中，高壓儲氣瓶組5中的氣壓通常在100大氣壓左右，在經(jīng)過高氣壓輸出 閥門組6和氣體噴嘴組7后進(jìn)入放電區(qū)時產(chǎn)生高速氣流，其壓力略大于1大氣壓，與外界大 氣壓基本平衡。具體的壓力值隨緯度升高而減小，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下約為lbar，這正是處于大 功率TEA CO2激光器的最佳工作氣壓范圍之內(nèi)。激光氣體經(jīng)過膨脹后溫度降低，稱之為“氣 動冷卻”效應(yīng)，這也正是提高CO2激光器能量轉(zhuǎn)換效率最希望的情況。
本發(fā)明中由激光脈沖放電產(chǎn)生的剩余熱量是儲存在激光氣體媒質(zhì)中并隨氣體流 入儲氣袋10中，儲氣袋10中的氣體經(jīng)過自然冷卻或經(jīng)過小型熱交換器冷卻，緩慢地回到室 溫狀態(tài)。在一次激光發(fā)射過程中所產(chǎn)生的激光總能量正比于儲存于高壓儲氣瓶組5中的激 光氣體媒質(zhì)總量，也正比于儲氣袋10膨脹后的體積。本發(fā)明定義這種激光器為“熱容氣體 激光器”。
設(shè)計所需高壓儲氣瓶組5中的激光氣體總量和儲氣袋10膨脹后的體積可按下面 公式估算
在一次激光發(fā)射過程中所產(chǎn)生的激光總能量=所需的激光氣體總量(即儲氣袋 膨脹后的體積)χ激光器的體積效率。
例如，設(shè)計激光器輸出平均功率為100kW，累計工作時間為100秒，則在一次激光 發(fā)射過程中所產(chǎn)生的激光總能量為10兆焦耳。又設(shè)激光器的體積效率為50焦耳/升，則 儲氣袋10膨脹后的體積應(yīng)為200立方米(長、寬、高分別為10米、5米和4米)。再設(shè)高壓 儲氣瓶壓力為100大氣壓，則高壓儲氣瓶組5的總體積為2立方米。
如果，設(shè)計激光器輸出平均功率為1兆瓦，累計工作時間仍為100秒，則儲氣袋10 膨脹后的體積應(yīng)為2000立方米(長、寬、高分別為20米、20米和5米)。高壓儲氣瓶組5 的總體積為20立方米。
權(quán)利要求
1.一種熱容氣體激光器，包括激光器腔體、主放電電極、預(yù)電離器、激光諧振腔、高壓儲 氣瓶組、高氣壓輸出閥門組、氣體噴嘴組、導(dǎo)流板、高壓脈沖放電電源、真空泵、真空閥門，各 部件按常規(guī)連接；其特征在于還包括儲氣袋、高氣壓返回閥門組和氣體壓縮機(jī)；在激光器 腔體一側(cè)設(shè)有氣體噴嘴組，相對的另一側(cè)壁上設(shè)有一長條形通孔，長條形通孔與儲氣袋密 閉式相連通；在高壓儲氣瓶和激光器腔體之間有兩路連接一路，激光發(fā)射過程中，激光混 合氣體從氣體噴嘴組高速噴射出，流經(jīng)激光器腔體，流入儲氣袋，使氣袋膨脹；另一路，激光 發(fā)射結(jié)束后，由氣體壓縮機(jī)將儲氣袋內(nèi)的激光混合氣體經(jīng)過高氣壓返回閥門組緩慢地壓縮 回高壓儲氣瓶組，供激光器下一次試驗時使用，此時儲氣袋縮小回到原狀態(tài)，折疊收藏；折 疊收藏時儲氣袋仍通過長條形通孔和激光器腔體維持密閉式相連通。
2.如權(quán)利要求1所述的熱容氣體激光器，其特征在于，所述長條形通孔與儲氣袋密閉 式相連通，是長條形通孔為一長條形真空密封法蘭開口，儲氣袋是一個柔性的可折疊的密 封袋，有一個長條形真空密封法蘭開口，兩法蘭開口相互密封對接后連通。
3.如權(quán)利要求1所述的熱容氣體激光器，其特征在于，所述激光混合氣體是二氧化碳 激光混合氣體、一氧化碳激光混合氣體或準(zhǔn)分子激光混合氣體其中之一。
4.如權(quán)利要求1所述的熱容氣體激光器，其特征在于，還包括一氣體清潔還原裝置，位 于氣體壓縮機(jī)輸入口與激光器腔體相連的大氣壓/真空管路中，以將激光氣體的成份還原 成純凈的狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求4所述的熱容氣體激光器，其特征在于，所述的氣體清潔還原裝置是一 個容器，內(nèi)含有除氧劑。
6.如權(quán)利要求5所述的熱容氣體激光器，其特征在于，所述的氣體清潔還原裝置容器 中含有鉬催化劑、或含有氧化錫和氧化錳催化劑。
7.如權(quán)利要求1所述的熱容氣體激光器，其特征在于，還包括一熱交換器，位于氣體壓 縮機(jī)輸入口與激光器腔體相連的大氣壓/真空管路中，以使激光混合氣體冷卻。
8.如權(quán)利要求7所述的熱容氣體激光器，其特征在于，所述的熱交換器為水冷式熱交 換器。
全文摘要
一種熱容氣體激光器，涉及激光器技術(shù)，包括激光器腔體、儲氣袋、氣體壓縮機(jī)、高壓儲氣瓶、氣體噴嘴等。在激光器腔體一側(cè)有氣體噴嘴組，另一側(cè)壁有儲氣袋。在高壓儲氣瓶和激光器腔體之間有兩路連通激光發(fā)射過程中，激光氣體從氣體噴嘴組高速噴射出，流經(jīng)激光器腔體，流入儲氣袋，使氣袋膨脹；激光發(fā)射結(jié)束后，由氣體壓縮機(jī)將儲氣袋內(nèi)的激光氣體緩慢地壓縮回高壓儲氣瓶，此時，儲氣袋縮小回到原狀態(tài)，可以折疊收藏，供激光器下一次試驗時使用。本發(fā)明能滿足應(yīng)用中對橫向激勵大氣壓二氧化碳激光器高平均功率激光輸出的需求，在高能激光物理研究、激光推進(jìn)技術(shù)研究和激光防雷技術(shù)研究等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景，也適用準(zhǔn)分子激光器和一氧化碳激光器。
文檔編號H01S3/225GK102035132SQ20091009376
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者萬重怡 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所