一种免调式小型化的激光器点火装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光技术领域，涉及一种免调式小型化的激光器点火装置及利用该装置进行点火的方法。
【背景技术】
[0002]随着激光技术的迅速发展和激光器件的研究进步，使得用激光器为内燃机、航空发动机、火箭点火成为了新的应用领域。对于传统发动机而言，为了提高点火的成功率，需要大大提高电火花塞电极间的放电电压，然而加速了电极的腐蚀。同时，电火花塞还会引起经由其电极向燃烧室壁面传导造成的热量损失，导致熄火率的进一步增大。因此，研究新型的点火方式，实现稳定可靠点火，特别是当前先进发动机领域点火方式的探索成为了热点。
[0003]激光诱导等离子体点火即所谓的激光点火，它是利用调Q技术获得大能量的激光击穿空气或者金属产生等离子体用于替代传统火花塞对发动机进行点火。在激光点火的应用环境下，相比发动机的体积，常见的激光器都显得十分庞大，同时激光器系统附带有用于激光晶体控温的冷却系统，使之基本上不能得到真正的工程应用。所以，运用于激光点火的激光器需要实现小型化的目标。
[0004]目前，发动机的点火环境相对于激光器的可适用环境来说都是十分恶劣的，特别是剧烈振动的环境条件。而对于激光点火的固体激光器而言，振动是一个影响激光器稳定工作的关键因素，而发动机点火的振动环境是无法改变的，因此只能是在点火激光器上寻求新结构的突破。
【发明内容】
[0005]为了提高激光应用于发动机点火的成功几率以及其可靠实用性，本发明提供了一种免调式小型化的激光器点火装置及方法，利用角锥棱镜的后向反射性，即对任意入射光均可将其沿平行方向反射出来，同时激光晶体棒、调Q晶体、激光输出镜被设计加工成为一体，这样的激光器腔型结构对于振动的应用环境而言是十分稳定的，同时也极大缩小了激光器整体体积，从真正意义上实现了激光点火的实际应用。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种免调式小型化的激光器点火装置，包括角锥棱镜、柱型聚光腔、脉冲氙灯、激光晶体棒、调Q晶体、激光输出膜，角锥棱镜和激光输出膜构成激光振荡器的谐振腔，脉冲氙灯发射出的光经柱型聚光腔汇聚后入射到激光晶体棒中，激光晶体棒吸收栗浦能量，在角锥棱镜和激光输出膜之间产生振荡激光，该激光经由调Q晶体后将被调制成脉冲形式，经激光输出膜后输出到谐振腔外。
[0007]一种利用上述装置进行激光器点火的方法，包括以下步骤:
步骤一、放置角锥棱镜和激光输出膜，构成免调式激光谐振腔；
步骤二、脉冲氙灯栗浦源发射出的栗浦光被柱型聚光腔聚光到激光晶体棒中，激光晶体棒吸收栗浦能量，在激光谐振腔内产生振荡激光后经角锥棱镜反射以及输出膜输出到激光谐振腔外，产生脉冲激光输出；
步骤三、输出的脉冲激光作用到可燃气体上产生等离子体，进行激光点火。
[0008]本发明具有如下优点:
本发明利用角锥棱镜的后向反射性构成免调式激光谐振腔以期抑制激光点火的振动环境，激光晶体棒、调Q晶体、激光输出镜整体设计加工成为一体，最终实现点火激光器免调式以及小型实用化的特点，是一种简单易行的办法。
【附图说明】
[0009]图1为本发明的免调式小型化激光器的结构示意图；
图2为角锥棱镜抑制振动环境的结构示意图。
【具体实施方式】
[0010]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0011]【具体实施方式】一:如图1和图2所示，本实施方式提供了一种免调试小型化的激光器点火装置，所述装置包括角锥棱镜1、柱型聚光腔2、脉冲氙灯3、激光晶体棒4、调Q晶体5、激光输出膜6，脉冲氙灯3和激光晶体棒4位于柱型聚光腔2中，角锥棱镜I和激光输出膜6构成激光振荡器的谐振腔，脉冲氙灯3发射出的光经柱型聚光腔2汇聚后入射到激光晶体棒4中，激光晶体棒4吸收栗浦能量，在角锥棱镜I和激光输出膜6之间产生振荡激光，该激光经由调Q晶体5后将被调制成脉冲形式，经激光输出膜6后输出到谐振腔外。
[0012]本实施方式中，角锥棱镜1、柱型聚光腔2、脉冲氙灯3、激光晶体棒4、调Q晶体5、激光输出膜6均为共轴形式存在。
[0013]本实施方式中，角锥棱镜I对所有入射的激光都能够将其按平行的方向反射出来，对于振动的外界环境具有十分优秀的抑制能力，具备免调试的特点。
[0014]本实施方式中，将角锥棱镜I和激光输出膜6通过简单共轴放置便可构成激光谐振腔，可用于激光输出，省去复杂的调节环节。
[0015]本实施方式中，角锥棱镜I和激光输出镜6组成的谐振腔的腔长为90 mm。
[0016]本实施方式中，激光晶体棒4、调Q晶体5、激光输出膜6被设计加工成为一体，利于激光器的紧凑小型化和免调试。
[0017]本实施方式中，柱型聚光腔2能够将脉冲氙灯2发出的栗浦光全部均匀的汇聚到激光晶体棒4上，全面提高了脉冲氙灯2的栗浦效率。
[0018]本实施方式中，角锥棱镜I和激光输出膜6构成激光振荡器的谐振腔必须满足激光振荡产生条件。
[0019]本实施方式中，激光晶体棒4的长度不大于40 mm，Nd: YAG掺杂浓度大于0.5%，例如 1.0%。
[0020]本实施方式中，调Q晶体5即Cr4+ = YAG可饱和吸收晶体的初始透过率小于50%，例如 33%。
[0021]本实施方式中，激光输出镜6的透过率为50-70%，例如55%。
[0022]【具体实施方式】二:本实施方式利用【具体实施方式】一所述装置实现免调式小型化的激光点火方法，由以下步骤实现:
步骤一、放置角锥棱镜和激光输出膜，构成免调式激光谐振腔；
步骤二、脉冲氙灯栗浦源发射出的栗浦光被柱型聚光腔聚光到激光晶体棒中，激光晶体棒吸收栗浦能量，在激光谐振腔内产生振荡激光后经角锥棱镜反射以及输出膜输出到激光谐振腔外，产生脉冲激光输出；
步骤三、输出的脉冲激光作用到可燃气体上产生等离子体，进行激光点火。
【主权项】
1.一种免调式小型化的激光器点火装置，所述装置由角锥棱镜(I)、柱型聚光腔(2)、脉冲氙灯(3)、激光晶体棒(4)、调Q晶体(5)、激光输出膜(6)构成，角锥棱镜(I)和激光输出膜(6)构成激光振荡器的谐振腔，脉冲氙灯(3)发射出的光经柱型聚光腔(2)汇聚后入射到激光晶体棒(4)中，激光晶体棒(4)吸收栗浦能量，在角锥棱镜(I)和激光输出膜(6)之间产生振荡激光，该激光经由调Q晶体(5)后将被调制成脉冲形式，经激光输出膜(6)后输出到谐振腔外。2.根据权利要求1所述的免调式小型化的激光器点火装置，其特征在于所述激光晶体棒(4)、调Q晶体(5)、激光输出膜(6)被设计加工成为一体。3.根据权利要求1所述的一种免调式小型化的激光器点火装置，其特征在于所述角锥棱镜(I)、柱型聚光腔(2)、脉冲氙灯(3)、激光晶体棒(4)、调Q晶体(5)、激光输出膜(6)均以共轴的形式设计。4.根据权利要求1所述的免调式小型化的激光器点火装置，其特征在于所述角锥棱镜(I)和激光输出镜(6)组成的谐振腔的腔长为90 mm。5.根据权利要求1所述的免调式小型化的激光器点火装置，其特征在于所述激光晶体棒(4)的长度不大于40 mm, Nd: YAG掺杂浓度大于0.5%。6.根据权利要求1所述的免调式小型化的激光器点火装置，其特征在于所述调Q晶体(5 )为Cr4+: YAG可饱和吸收晶体。7.根据权利要求1或6所述的免调式小型化的激光器点火装置，其特征在于所述调Q晶体(5)的初始透过率小于50%。8.根据权利要求1所述的一种免调式小型化的激光器点火装置，其特征在于所述激光输出镜(6)的透过率为50-70%。9.一种利用权利要求1-8任一权利要求所述的免调式小型化的激光器点火装置进行激光器点火的方法，其特征在于所述方法由以下步骤实现: 步骤一、放置角锥棱镜和激光输出膜，构成免调式激光谐振腔； 步骤二、脉冲氙灯栗浦源发射出的栗浦光被柱型聚光腔聚光到激光晶体棒中，激光晶体棒吸收栗浦能量，在激光谐振腔内产生振荡激光后经角锥棱镜反射以及输出膜输出到激光谐振腔外，产生脉冲激光输出； 步骤三、输出的脉冲激光作用到可燃气体上产生等离子体，进行激光点火。
【专利摘要】一种免调式小型化的激光器点火装置及方法，所述激光器点火装置包括角锥棱镜、柱型聚光腔、脉冲氙灯、激光晶体棒、调Q晶体、激光输出膜，角锥棱镜和激光输出膜构成激光振荡器的谐振腔，脉冲氙灯发射出的光经柱型聚光腔汇聚后入射到激光晶体棒中，激光晶体棒吸收泵浦能量，在角锥棱镜和激光输出膜之间产生振荡激光，该激光经由调Q晶体后将被调制成脉冲形式，经激光输出膜后输出到谐振腔外。本发明利用角锥棱镜的后向反射性构成免调式激光谐振腔以期抑制激光点火的振动环境，激光晶体棒、调Q晶体、激光输出镜整体设计加工成为一体，最终实现点火激光器免调式以及小型实用化的特点，是一种简单易行的办法。
【IPC分类】F02P23/04, H01S3/08, H01S3/11, F02C7/266, F02K9/95
【公开号】CN105048263
【申请号】CN201510554109
【发明人】马欲飞, 何应, 李旭东, 于欣, 闫仁鹏, 李晓晖, 彭江波, 于杨, 樊荣伟, 董志伟, 杨超博, 杨振
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年9月2日