專利名稱：脈沖二氧化碳激光器的放電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種能夠獲得高平均功率高重復(fù)頻率的脈沖二氧化碳(CO2)激光器的放電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
高功率CO2激光器發(fā)展的一個(gè)十分重要的趨勢(shì)是高平均功率高重復(fù)頻率地運(yùn)行。例如激光雷達(dá)、激光同位素分離、激光誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)，均要求有高功率脈沖激光束的輸出，脈寬在0.01～1微秒之間；而對(duì)激光加工，諸如切割、焊接、毛化、刻花、打孔、淬火、表面熱處理等，有時(shí)要求激光脈沖寬度在0.01～1毫秒之間，這將取得比連續(xù)激光加工好得多的加工效果。
已有技術(shù)中，德國(guó)羅芬—希納(Rofin-Sinar)公司的快速軸流CO2激光器采用調(diào)制射頻主放電的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)脈沖激光束的輸出，日本三菱公司的快速軸流CO2激光器采用調(diào)制無(wú)聲主放電的結(jié)構(gòu)達(dá)到脈沖激光束的輸出；美國(guó)光譜物理公司的SP-810快速軸流CO2激光器采用開(kāi)關(guān)主放電的結(jié)構(gòu)達(dá)到脈沖激光束的輸出。中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所提供有脈沖激光束輸出的橫流或軸流CO2激光器產(chǎn)品也多數(shù)采用開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)。
上述脈沖輸出CO2激光器的例子，尤其是射頻激勵(lì)和無(wú)聲放電激勵(lì)主放電的結(jié)構(gòu)，或是脈沖開(kāi)關(guān)電源等，均是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大而造價(jià)昂貴。
本發(fā)明的目的為克服已有技術(shù)的不足，提供一種脈沖二氧化碳(CO2)激光器的放電系統(tǒng)，將可以達(dá)到高重復(fù)頻率高平均功率脈沖激光束的輸出，能夠通過(guò)調(diào)制僅有幾百瓦平均功率的預(yù)電離脈沖系列，達(dá)到控制幾十千瓦大功率的主放電脈沖注入。其放電結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，造價(jià)低廉，單位體積注入功率大，制作的技術(shù)難度也較低。
本發(fā)明的脈沖CO2激光器的放電系統(tǒng)，如圖1所示，它包括主放電部分18和脈沖預(yù)電離部分19。其中主放電部分18包括置于激光器放電腔17內(nèi)的主放電陰極管8和嵌于高溫絕緣材料中相互絕緣的一排陽(yáng)極條9。主放電陰極管8與主放電直流電源10相連。每根陽(yáng)極條9通過(guò)限流電阻13和濾波電感12也與主放電直流電源10相連。
脈沖預(yù)電離部分19包括與一排陽(yáng)極條9一一相對(duì)應(yīng)的一排預(yù)電離陰極針7，預(yù)電離陰極針7是置于相對(duì)主放電陰極管8處的氣體流動(dòng)方向v的上游。一排預(yù)電離陰極針7經(jīng)過(guò)第一隔直電容6和儲(chǔ)能電容5與主閘流管4的板極P相連。主閘流管4的觸發(fā)極C連接有脈沖信號(hào)發(fā)生器16。主閘流管4的板極P通過(guò)二極管3和飽和電感2連接有預(yù)電離直流電源1。
主放電部分18與脈沖預(yù)電離部分19之間有兩只隔直電容即第一隔直電容6和第二隔直電容14將其兩部分隔開(kāi)。脈沖預(yù)電離部分19連有旁路電感15。
所說(shuō)的連接到主閘流管4觸發(fā)極C上的脈沖信號(hào)發(fā)生器16含有與非門162，與非門162上連接有高頻信號(hào)源161和調(diào)制信號(hào)源165。與非門162的輸出經(jīng)過(guò)整形放大器163和脈沖放大開(kāi)關(guān)元件164連接到主閘流管4的觸發(fā)極C。
上述激光器的電極結(jié)構(gòu)為適合于三軸(氣體流動(dòng)方向v、激光器諧振腔的光軸、放電方向)正交的橫流CO2激光器，主放電陰極管8為直徑Φ10mm左右的水冷銅管，置于一排陽(yáng)極條9的氣流方向v的上游。陽(yáng)極條9為嵌于絕緣且耐高溫材料之中相互分立，相互絕緣并在同一平面上的銅條。其預(yù)電離陰極針7與一排主放電陽(yáng)極條9一一對(duì)應(yīng)，置于主放電陰極管8的沿氣體流動(dòng)方向v的上游。預(yù)電離陰極針7與主放電陰極管8之間，預(yù)電離陰極針7與主放電陽(yáng)極條9之間形成兩個(gè)預(yù)電離放電回路。主放電陰極管8與陽(yáng)極條9之間形成主放電回路。
主放電直流電源10為主放電部分18的驅(qū)動(dòng)源，濾波電感12既是主放電直流電源10的濾波電感，又是脈沖預(yù)電離部分19的隔離器；限流電阻13是每一個(gè)陽(yáng)極條9的限流電阻，即是氣體輝光放電的鎮(zhèn)流器；隔直電容6和14阻止主放電部分18的直流進(jìn)入脈沖預(yù)電離部分19內(nèi)。圖1中大圓圈11表示激光器的光學(xué)諧振腔，其光學(xué)諧振腔11的光軸垂直于紙面，即z方向；氣流方向v如圖1所示的由左向右，即x方向；放電方向?yàn)閳D1的中上下方向，即y方向；則氣流、放電和光軸三者的方向?yàn)閤yz的正交方向。
圖1左部為脈沖預(yù)電離部分19，主閘流管4是脈沖預(yù)電離部分19的主要脈沖開(kāi)關(guān)元件；預(yù)電離直流電源1為脈沖預(yù)電離部分19提供直流電；脈沖信號(hào)發(fā)生器16為主閘流管4提供脈沖觸發(fā)信號(hào)。
具體的是脈沖信號(hào)發(fā)生器16中的與非門162由高頻信號(hào)源161加入高頻尖脈沖信號(hào)如大于3KHz的尖脈沖，在與非門162的另一端再由調(diào)制信號(hào)源165加入一振蕩調(diào)制信號(hào)，當(dāng)改變振蕩調(diào)制信號(hào)的周期及占空比，即可得到周期及占空比可調(diào)的脈沖群信號(hào)。此脈沖群信號(hào)觸發(fā)主閘流管4，從而控制脈沖預(yù)電離及主放電的放電。


圖1為本發(fā)明的脈沖二氧化碳(CO2)激光器的放電系統(tǒng)的示意圖。
圖2為本發(fā)明脈沖預(yù)電離部分19中連接到主閘流管4上的脈沖信號(hào)發(fā)生器16的線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明采用如圖1所示的放電系統(tǒng)。在非自持大體積氣體輝光放電條件下，采用本發(fā)明的上述預(yù)電離脈沖群開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)比已有技術(shù)利用氣體輝光放電的著火電壓與維持電壓之間存在著明顯的差異和優(yōu)點(diǎn)。已有技術(shù)中，當(dāng)采用的預(yù)電離脈沖頻率遠(yuǎn)大于放電區(qū)等離子體的弛豫率時(shí)，激光輸出為近似連續(xù)波。例如脈沖預(yù)電離脈寬為50～500毫微秒，預(yù)電離脈沖在重復(fù)頻率5KHz時(shí)，預(yù)電離脈沖平均功率在數(shù)百瓦量級(jí)范圍內(nèi)，可用來(lái)控制數(shù)十千瓦主電源功率注入放電區(qū)，獲得的是數(shù)千瓦連續(xù)波CO2激光功率輸出。
本發(fā)明的放電系統(tǒng)當(dāng)采用大于3KHz，通常是5KHz～10KHz的重復(fù)頻率，脈沖寬度50～500毫微秒，平均功率數(shù)百瓦的脈沖信號(hào)作為預(yù)電離的觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)對(duì)預(yù)電離脈沖信號(hào)的振蕩調(diào)制，形成脈沖群開(kāi)關(guān)信號(hào)觸發(fā)預(yù)電離放電在非自持放電條件下，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)主放電的控制，至此可達(dá)到高重復(fù)頻率高平均功率的脈沖激光束輸出的目的。所以，如上所述，在同樣條件下，采用本發(fā)明的放電系統(tǒng)就比已有技術(shù)中的放電系統(tǒng)單位體積注入功率大，關(guān)鍵還在于本發(fā)明的放電系統(tǒng)容易獲得高重復(fù)頻率高平均功率的CO2激光束輸出。而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制，容易制造，造價(jià)低廉。
實(shí)施例采用如圖1、圖2所示的電極結(jié)構(gòu)和放電系統(tǒng)。激光器為橫流CO2激光器。主放電陰極管8為Φ10mm的水冷銅管，陽(yáng)極條9沿氣流方向v長(zhǎng)度70mm，陽(yáng)極條9相互之間間隔為5mm，陽(yáng)極條9一排共55根，放電有效長(zhǎng)度為1100mm，主放電陰極管8與陽(yáng)極條9之間的放電距離為30mm，預(yù)電離陰極針7為Φ1mm銅針，離主放電陰極管8的距離為10mm，預(yù)電離陰極針7尖端離陽(yáng)極條9的距離為30mm，預(yù)電離陰極針7與陽(yáng)極條9一一對(duì)應(yīng)，因此預(yù)電離陰極針7也是一排55根。激光器放電腔17內(nèi)充氣總氣壓為50毫米汞柱(合6.67KPa)，充入氣體為CO2∶N2∶He＝1∶8∶11，激光器為雙放電通道，型折迭光學(xué)諧振腔。
當(dāng)脈沖預(yù)電離重復(fù)頻率為5KHz時(shí)，脈沖寬度為300毫微秒，采用調(diào)制信號(hào)源165輸入有開(kāi)6個(gè)關(guān)6個(gè)的振蕩調(diào)制信號(hào)給與非門162，則脈沖重復(fù)率為5000÷(6+6)≌420Hz。在上述條件下，當(dāng)注入脈沖預(yù)電離平均功率約為200W時(shí)，主放電電流為21安培，主放電維持電壓(平均值)在2.0KV時(shí)，獲得5.0KW脈沖CO2激光束的輸出。這個(gè)結(jié)果是比較理想的。
權(quán)利要求
1.一種脈沖二氧化碳激光器的放電系統(tǒng)，包括主放電部分(18)和脈沖預(yù)電離部分(19)，主放電部分(18)包括置于激光器放電腔(17)內(nèi)的主放電陰極管(8)和嵌于高溫絕緣材料中相互絕緣的一排陽(yáng)極條(9)，主放電陰極管(8)及通過(guò)限流電阻(13)和濾波電感(12)的每根陽(yáng)極條(9)與主放電直流電源(10)相連；脈沖預(yù)電離部分(19)包括與一排陽(yáng)極條(9)一一相對(duì)應(yīng)的置于相對(duì)主放電陰極管(8)處的氣體流動(dòng)方向(v)的上游有一排預(yù)電離陰極針(7)；主放電部分(18)與脈沖預(yù)電離部分(19)之間有兩只隔直電容即第一隔直電容(6)和第二隔直電容(14)隔開(kāi)，脈沖預(yù)電離部分(19)連有旁路電感(15)；其特征在于所說(shuō)的脈沖預(yù)電離部分(19)中的一排預(yù)電離陰極針(7)經(jīng)過(guò)第一隔直電容(6)和儲(chǔ)能電容(5)與主閘流管(4)的板極(P)相連，主閘流管(4)的觸發(fā)極(C)連接有脈沖信號(hào)發(fā)生器(16)，主閘流管(4)的板極(P)通過(guò)二極管(3)和飽和電感(2)連接有預(yù)電離直流電源(1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖二氧化碳激光器的放電系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的脈沖信號(hào)發(fā)生器(16)含有連接有高頻信號(hào)源(161)和調(diào)制信號(hào)源(165)的與非門(162)，與非門(162)的輸出經(jīng)過(guò)整形放大器(163)和脈沖放大開(kāi)關(guān)元件(164)連接到主閘流管(4)的觸發(fā)極(C)。
全文摘要
一種脈沖二氧化碳激光器的放電系統(tǒng),包括主放電和脈沖預(yù)電離兩部分。主放電部分包括主放電陰極管和一排陽(yáng)極條。脈沖預(yù)電離部分包括與陽(yáng)極條一一相對(duì)應(yīng)的連接主閘流管上的一排預(yù)電離陰極針,主閘流管的觸發(fā)極上連接有能夠輸送高頻開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的脈沖信號(hào)發(fā)生器。本發(fā)明以預(yù)電離脈沖群開(kāi)關(guān)激勵(lì)非自持大體積的氣體輝光放電,獲得了高平均功率高重復(fù)頻率的脈沖CO
文檔編號(hào)H01S3/03GK1250960SQ99116968
公開(kāi)日2000年4月19日 申請(qǐng)日期1999年10月14日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月14日
發(fā)明者程兆谷 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所