专利名称：脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种采用预电离技术的扩散冷却型直流
放电板条二氧化碳激光器。
背景技术：
(A激光器在工业加工和军事上有重要的应用。目前正是(A激光器应用的飞速发 展的时期。例如，在工业加工方面中小功率激光器的每年的需求达数万台；千瓦级以上的激 光器在激光切割、焊接等应用中有很大的需求。现有的激光器有多种类型，各有其优缺点。 板条C02激光器利用大面积扩散冷却原理，其输出功率具有"面积放大"的优点。和通常的 直管纵向放电扩散冷却(A激光器相比较，输出功率可大幅度地提高。另一方面，与快轴流 型C02激光器及高重复频率TEA C02激光器相比，板条激光器采用的是扩散冷却方式，省去 了笨重的风机循环冷却系统，这有利于激光器的小型化，在实际使用中有很大的优越性和 必要性。射频激励的扩散冷却板条(A激光器已在中小应用领域获得了广泛的应用，并且 有进一步向大功率推广的趋势。其原因是射频放电激励具有正阻抗特性，放电均匀，不易起 弧。而直流激励具有负阻抗特性，在大面积电极放电中放电不能扩散到整个放电区，非常容 易收縮起弧。所以射频技术使面积放大概念得以实现。虽然在当前扩散冷却板条(A激光 器的发展中，射频激励技术占了主导地位，但射频激励源本身也存在一定的缺点大功率射 频电源体积大，进一步的发展有技术上的困难，且需要有效的生物屏蔽，此外脉冲运作方式 有一定的困难，难以产生高功率脉冲激光。这些使激光器的运行成本和复杂程度增加。
发明内容
本发明的目的是提出一种脉冲预电离的直流放电板条二氧化碳激光器，克服了板 条直流放电必然过渡到弧光的问题，采用非自持放电的方式，利用脉冲预电离放电引发和 控制主放电，达到均匀板条的效果。该脉冲预电离的直流放电板条二氧化碳激光器，采用直 流放电是因为直流电源制作容易，成本低廉，大功率直流放电无辐射产生；另外直流放电可 以通过电容瞬间放电释放大的脉冲能量，从而获得大功率脉冲输出。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是 —种脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，包括两金属平板侧壁，绝缘层，主 放电阳极、阴极，激光谐振腔，主放电直流电源；放电区由上、下金属平板侧壁和左、右长条 形金属主放电阳极和阴极封闭而成，放电区内轴向设置至少一个激光谐振腔；两金属平板 侧壁内部设有冷却槽，冷却槽内有冷却液；两金属平板侧壁内表面各紧密地固接有绝缘层； 两金属平板侧壁和主放电阳极电相连并接地；其还包括预电离脉冲电源，两隔离二极管，预 电离脉冲电源输出端与主放电阴极、两隔离二极管输入端电相连，主放电直流电源输入端 与一隔离二极管输出端电相连，主放电直流电源输出端、预电离脉冲电源输入端和另一隔
离二极管输出端接地。 所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其所述激光器放电区，主放电
3阳极和阴极之间的距离W为宽度，两金属平板侧壁之间的间隙h为高度，宽高比W/h在2 30之间。 所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其所述绝缘层材料为搪瓷或氧 化铝。 所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其所述激光谐振腔，是非稳腔 或稳定腔。 所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其所述预电离脉冲电源，为闸 流管脉冲电源、脉冲开关电源、晶闸管脉冲电源其中任一种。 所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其所述主放电直流电源，包含 一个单电容。 所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其所述主放电直流电源，包含 一个脉冲形成网络放电电路。 所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其所述隔离二极管，为快速高 压隔离二级管。 所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其所述绝缘层，厚度为 200iim 800iim之间。 所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其连续输出激光，激光脉冲重 复频率从单脉冲至100kHz。 本发明脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器采用扩散冷却和非自持放电方 式，具有输出功率大，小型化，高功率的优点，且能同时满足应用中对高脉冲峰值功率和高 平均功率的需要。不但适用于二氧化碳激光器而且还适用于一氧化碳等多种气体激光器， 在激光加工，激光探测，激光医疗，激光雷达，光化学等领域有广泛的应用前景。
图1是本发明脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器示意图；
图2是本发明的第一实施例和第二实施例示意图；
图3是本发明的第三实施例的示意图。
具体实施例方式
为进一步说明本发明的特征及结构，以下结合附图对本发明作详细描述。
请参阅图l，为本发明的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，包括金属平板 侧壁1和2，绝缘层3和4，主放电阳极5，主放电阴极6，激光谐振腔7，主放电直流电源8， 预电离脉冲电源9，隔离二极管10和11。放电区由金属平板侧壁l和2和左、右两条长条 金属电极5和6封闭而成。金属平板侧壁内部加工有冷却槽，通以冷却液，表面紧密地附着 有高热导率的绝缘层3和4，绝缘层材料为搪瓷或氧化铝。放电区的宽度即主放电阳极5和 阴极6之间的距离W与平板侧壁1和2之间的间隙h之比W/h定义为激光器放电区的"宽 高比"。宽高比可以在2到30之间改变。在直流脉冲放电或连续放电中产生的热量可以迅 速扩散到管壁，通过高热导率的绝缘层传播到金属平板侧壁1和2，再由冷却液带走，是为 "扩散冷却"方式。由于绝缘层很薄( 一般为200 ii m-800 ii m)，并且紧密附着在平板侧壁的内表面，所以可使激光器得到充分的冷却。激光谐振腔7可以是非稳腔或稳定腔。
两隔离二极管10、 11为快速高压隔离二级管。 当直流电压加在两条窄长的主放电电极5和6之间时，在没有预电离的情况下在 放电区是不可能形成均匀的辉光放电的。当电压一旦超过击穿电压阈值时，在二者之间立 即产生电弧。弧光放电的位置是随机的，在电极的长度上不停地移动，有时停留在某一点。 当电压低于击穿阈值时，在放电区中没有放电。为了实现在直流放电条件下均匀的辉光放 电，本发明采用脉冲预电离的非自持放电方式。将主放电直流电源8的电压设为低于击穿 电压阈值。开启预电离脉冲电源9后，立刻得到非常均匀的板条状放电。
预电离脉冲电源9产生负高压窄脉冲，通过电源内部输出端的电容器C加到主放 电阴极6上，首先在整个长条主放电阴极6附近产生均匀的电离，逐渐扩展到主放电阳极5 在整个放电区产生均匀的初始预电离(此过程非常迅速)，继而在主放电阳极5和阴极6之 间产生均匀的脉冲放电，成为更强的二次预电离。在预电离的作用下，原先位于自持击穿阈 值之下的主放电直流电源8的主放电电压达到了击穿阈值，由主放电直流电源8供电的主 放电发生了。以上过程是脉冲预电离引发和控制的非自持直流放电。每一个预电离脉冲引 发一个主放电脉冲产生一个激光脉冲。脉冲重复率可从单脉冲至100kHz，取决于激光气体 的气压和放电电源的参量。当重复频率足够高时，由于二氧化碳激光能级的驰豫时间长于 脉冲间隔，激光输出变成了连续的。在非自持放电条件下，主放电E/P值(电场与气压的比 值)较低，有利于气体分子激发到高能态，从而提高了激光器的能量转换效率。
图2是本发明的第一实施例，其中主放电直流电源8为脉冲形成网络，预电离脉冲 电源9采用闸流管脉冲发生器。 本发明的第二实施例也参看图2，其中预电离脉冲电源9采用窄脉冲开关电源或 晶闸管脉冲电源。 图3为本发明的第三实施例，其中主放电直流电源8电路为电容脉冲放电电路。电 容脉冲放电是脉冲形成网络放电的特殊情形。
权利要求
一种脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，包括两金属平板侧壁，绝缘层，主放电阳极、阴极，激光谐振腔，主放电直流电源；放电区由上、下金属平板侧壁和左、右长条形金属主放电阳极和阴极封闭而成，放电区内轴向设置至少一个激光谐振腔；两金属平板侧壁内部设有冷却槽，冷却槽内有冷却液；两金属平板侧壁内表面各紧密地涂覆有绝缘层；两金属平板侧壁和主放电阳极电相连并接地；其特征在于，还包括预电离脉冲电源，两隔离二极管，预电离脉冲电源输出端与主放电阴极、两隔离二极管输入端电相连，主放电直流电源输入端与一隔离二极管输出端电相连，主放电直流电源输出端、预电离脉冲电源输入端和另一隔离二极管输出端接地。
2. 如权利要求1所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其特征在于，所述 激光器放电区，主放电阳极和阴极之间的距离W为宽度，两金属平板侧壁之间的间隙h为高 度，宽高比W/h在2 30之间。
3. 如权利要求1所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其特征在于，所述 绝缘层材料为搪瓷或氧化铝。
4. 如权利要求1所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其特征在于，所述 激光谐振腔，是非稳腔或稳定腔。
5. 如权利要求1所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其特征在于，所述 预电离脉冲电源，为闸流管脉冲电源、脉冲开关电源、晶闸管脉冲电源其中任一种。
6. 如权利要求1所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其特征在于，所述 主放电直流电源，包含一个单电容。
7. 如权利要求1所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其特征在于，所述 主放电直流电源，包含一个脉冲形成网络放电电路。
8. 如权利要求1所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其特征在于，所述 隔离二极管，为快速高压隔离二级管。
9. 如权利要求1所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其特征在于，所述 绝缘层，厚度为200iim 800iim之间。
10. 如权利要求1所述的脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，其特征在于，连续 输出激光，激光脉冲重复频率从单脉冲至100kHz。
全文摘要
一种脉冲预电离直流放电板条二氧化碳激光器，涉及激光器技术，该激光放电区由上、下金属平板侧壁和左、右长条形金属主放电阳极和阴极封闭而成，放电区内轴向设置至少一个激光谐振腔；两金属平板侧壁设有冷却槽，冷却槽内有冷却液；两金属平板侧壁内表面各紧密地涂覆绝缘层；两金属平板侧壁和主放电阳极电相连并接地；其还包括预电离脉冲电源，两快速高压隔离二极管，预电离脉冲电源输出端与主放电阴极、两隔离二极管输入端电相连，主放电直流电源输入端与一隔离二极管输出端电相连，主放电直流电源输出端、预电离脉冲电源输入端和另一隔离二极管输出端接地。本发明放电稳定性好，能以高重复率脉冲或连续方式运转，输出功率大、小型化、高效率。
文档编号H01S3/03GK101741001SQ200810226679
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月19日 优先权日2008年11月19日
发明者万重怡, 于延宁, 王东蕾 申请人:中国科学院电子学研究所