专利名称：横向激励二氧化碳激光器长脉冲泵浦装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光器脉冲泵浦，具体地涉及一种横向激励二氧化碳激光器长脉冲泵浦装置。
背景技术：
横向激励(Transversely Excited)二氧化碳激光器(以下简称TE-CO2激光器)是20世纪七十年代发展起来的一种CO2激光器。这种激光器由于其输出峰值功率高、脉冲能量大、可以高重复频率工作的优点，在工业加工、国防军工等领域有一定的应用。
典型的TE CO2激光器基本结构如图1所示。包含激光器外壳1、一对主放电电极2、主放电电极高压输入3、预电离火花列阵4、主放电电极接地端5、热交换器6、风机7、导流风道8等。这种激光器的典型泵浦电路装置如图2所示，由一个贮能电容器Cs、一个高压开关G和一个旁路电阻(或电感)Rp组成。高压电源用于给贮能电容Cs充电。充电结束，高压开关G适时导通，贮能电容Cs中的电能通过高压开关G注入激光工作气体中，形成激光输出。典型的输出激光脉冲波形如图3所示，为一个脉宽小于100ns的尖峰加一个长度为1～2us的拖尾，其中拖尾的能量约占激光总能量的30～50％。
从图2可以看出，通常TE-CO2激光器的泵浦装置主要是由一个高压放电开关和一个贮能电容组成。产生激光的能量全部来源于贮能电容器中的能量。激光器的输出波形基本上是激光器本身的特性，与贮能电容Cs的大小以及充电电压的高低关系不大。
因此，已有的技术中，一个TE-CO2激光器的输出激光脉冲的宽度几乎是不变的，激光脉冲波形的形状也几乎是不可控制的。这使得这种激光器在一些应用中受到限制。在一些应用场合，需要脉冲能量大、脉冲宽度宽(如几十微秒)的激光，采用如图2所示的泵浦装置是不可能的。
为了在TE-CO2激光器中获得长脉冲激光输出，也有人尝试将图2中的电容Cs换成脉冲形成网络(请参考Y.Okita，K.Yasuoka，et al，“Long-pulse，high repetition rate transversely excited CO2laser for materialprocessing”，SPIE Vol.2118，199422-11)，并获得了长脉冲激光输出。但是，这种做法对激光器的设计要求严格，而且只适用于激光工作气体气压较低的情形，不适用于较高气压的TE-CO2激光器(即TEA CO2激光器)，因此，具有局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TE-CO2激光器的长脉冲泵浦装置。本发明的泵浦装置，可以控制TE-CO2激光器的输出脉冲宽度和形状，获得几微秒甚至上百微秒的长脉冲激光输出。
为实现上述目的，在本发明提供的TE-CO2激光器长脉冲泵浦装置中，采用将产生激光的能量分成两部分及采用两个高压放电开关等措施，实现了对TE-CO2激光器输出脉冲波形的控制。
因为在通常的TE-CO2激光器泵浦装置中，产生激光的能量来自于一个贮能电容器，并且是一次性注入激光器的。因此，激光脉冲的波形由激光本身的特性(如工作气体组成、气压、谐振腔长度等等)决定，而与注入能量的大小关系不大。而本发明将激励TE-CO2激光器的能量分成两部分，一部分由贮能电容Cs提供，另一部分由一个脉冲形成网络提供，从而达到控制TE-CO2激光器的输出激光脉冲波形的目的。
具体地说，本发明的TE-CO2激光器长脉冲泵浦装置主要由两个高压电容充电电源、两个高压放电开关、脉冲形成网络(Pulse FormingNetwork-PFN)、一个贮能电容、一个旁路电阻和一个高压充电二极管等组成。本发明通过控制两个高压电源充电时间和充电电压、两个高压开关的导通方式以及选择合适的脉冲形成网络参数，可以使所激励的TE-CO2激光器的输出激光脉冲波形得到控制，实现脉冲宽度达几微秒至几十微秒的激光输出。
图1为TE-CO2激光器基本结构示意图。
图2为典型的TE-CO2激光器的泵浦电路示意图。
图3为典型的TE-CO2激光器脉冲波形示意图。
图4为本发明TE-CO2激光器长脉冲泵浦装置示意图。
图5为本发明TE-CO2激光器长脉冲输出波形示意图。
图6为本发明脉冲宽度可切换的TE-CO2激光器长脉冲泵浦装置示意图。
具体实施例方式
请参阅图4，为本发明TE-CO2激光器长脉冲泵浦装置示意图。图4中CCPS1和CCPS2为采用恒流方式充电的高压电容充电电源(为叙述方便，分别称这两个高压电容充电电源为A和B)，G1和G2为高压放电开关(为叙述方便，分别称这两个高压放电开关为C和D)，Cs为高压贮能电容，D1为高压充电二极管，Rp为激光器放电旁路电阻，Li，Ci(i＝1，2，...，n)为组成脉冲形成网络的电感和电容。
本发明的电路连接是高压电容充电电源CCPS1的高压输出端与贮能电容Cs的一端及高压放电开关G1的阳极相连接；贮能电容Cs的另一端连接至TE-CO2激光器主放电电极高压输入端；高压充电二极管D 1的阳极及激光器放电旁路电阻Rp的一端与TE-CO2激光器主放电电极高压输入端相连接；高压充电二极管D1的阴极及激光器放电旁路电阻Rp的另一端则与TE-CO2激光器主放电电极接地端相连接，亦即高压充电二极管D1和激光器放电旁路电阻Rp均与TE-CO2激光器并联。高压电容充电电源CCPS2的高压输出端与脉冲形成网络中电容C1的一端(可称为脉冲形成网络的输入端)及高压放电开关G2的阳极相连接；脉冲形成网络中电感L1的一端(可称为脉冲形成网络的输出端)连接至TE-CO2激光器主放电电极高压输入端；两个高压电容充电电源(CCPS1和CCPS2)的高压输出接地端和两个高压放电开关(G1和G2)的阴极均通过导线连接至TE-CO2激光器主放电电极接地端，并连接至安全地线。
在图4中的脉冲形成网络中，所有的电感值、电容值一般相等，即L1＝L2＝...＝Ln，C1＝C2＝...＝Cn，其中，n为整数，且n≥4。脉冲形成网络的特性阻抗按下式(1)计算Zpfn=LiCi---(1)]]>脉冲形成网络的时间宽度按下式(2)计算T=2·n·Li·Ci---(2)]]>其中脉冲形成网络中电感、电容大小的选择要根据TE-CO2激光器的放电阻抗和所需要的激光脉冲宽度来决定。理论要求两者阻抗相等，即Zpfn＝Zlaser(3)实际设计工作中，要求脉冲形成网络的特征阻抗略大于激光器的放电阻抗，一般取Zpfn＝(110％～130％)·Zlaser(4)采用本发明的长脉冲泵浦装置，可以使TE-CO2激光器的输出脉冲可以变成如图5所示的长脉冲形式。在图5中，激光脉冲尖峰后的“隆起”成了整个脉冲能量的主要部分，与图3给出的典型TE-CO2激光器脉冲波形不同，图3中所示的激光能量几乎是均分于尖峰和拖尾中。
采用本发明的长脉冲泵浦装置，TE-CO2激光器脉冲波形可以灵活控制。两部分能量中，贮能电容Cs中的能量主要贡献在脉冲的尖峰部分，脉冲形成网络的能量则对脉冲的“隆起”部分起作用，因此，只要控制脉冲形成网络上的充电电压(即脉冲形成网络中的能量)，就可以控制激光脉冲波形中“隆起”部分的幅度。例如，图4中高压开关G2不导通时，本发明的长脉冲泵浦装置回归图2中典型的TEA CO2激光器泵浦装置。因此，本发明的泵浦装置实际上包含了图2所给出的装置，通用性更好。
作为本发明的一个扩展，可以设计出图6所示的泵浦装置。图6中，所有脉冲形成网络(PFN1、PFN2、...PFNn)的特征阻抗相同，但脉冲宽度(由公式2计算)不同。切换开关(SW)的作用是在不同的脉冲形成网络之间切换，但一次只允许一个脉冲形成网络接通。这样，使一台TE-CO2激光器可以输出具有不同脉冲宽度的激光脉冲。另外，因为高压充电电源CCPS1和CCPS2采用恒流充电，可控性好，在开关切换的过程中，可以使切换开关(SW)上没有电流和电压，实现零电压零电流开关，既安全又切换方变。
综上所述，本发明提供的TE-CO2激光器的泵浦装置，通过将泵浦激光器的能量分布一个贮能电容和一个脉冲形成网络，实现了对TE-CO2激光器输出脉冲波形的控制，使通常的TE-0CO2激光器可以输出几微秒至上百微秒的脉冲激光。采用本发明，可以在不改动TE-CO2激光器的光学系统和机械结构的前提下，使其输出具有不同脉冲宽度的激光脉冲波形。
权利要求
1.一种横向激励二氧化碳激光器长脉冲泵浦装置，由两个高压电容充电电源、两个高压放电开关、脉冲形成网络、贮能电容、旁路电阻和高压充电二极管组成，其中高压电容充电电源A的高压输出端与贮能电容的一端及高压放电开关C的阳极相连接；贮能电容的另一端连接至TE-CO2激光器主放电电极高压输入端；高压充电二极管的阳极及TE-CO2激光器放电旁路电阻的一端与TE-CO2激光器主放电电极高压输入端相连接；高压充电二极管的阴极及TE-CO2激光器放电旁路电阻的另一端则与TE-CO2激光器主放电电极接地端相连接；高压电容充电电源B的高压输出端与脉冲形成网络输入端及高压放电开关D的阳极相连接；脉冲形成网络的输出端连接至TE-CO2激光器主放电电极高压输入端；两个高压电容充电电源A、B的高压输出接地端和两个高压放电开关C、D的阴极均连接至TE-CO2激光器主放电电极接地端；所述脉冲形成网络中的电感值相等；所述脉冲形成网络中的电容值相等。
2.权利要求1的泵浦装置，其特征在于，接地端接有安全地线。
3.权利要求1的泵浦装置，其特征在于，泵浦装置中用的高压电容充电电源为恒流方式充电，其允许充电时间、禁止充电时间和充电电压为可控。
4.权利要求1的泵浦装置，其特征在于，两个高压放电开关为互相独立，其导通起始时间分别可控。
5.权利要求1或4的泵浦装置，其特征在于，高压放电开关为高压闸流管、高压触发管或高压球隙。
6.权利要求1的泵浦装置，其特征在于，泵浦装置中的脉冲形成网络其特性阻抗和TE-CO2激光器放电阻抗相匹配。
7.权利要求1的泵浦装置，其特征在于，泵浦装置中的旁路电阻为非纯阻性。
8.权利要求1的泵浦装置，其特征在于，泵浦装置中具有多个不同脉冲宽度的脉冲形成网络用于一个TE-CO2激光器，通过切换开关控制，使TE-CO2激光器输出不同的激光脉冲宽度。
9.权利要求8的泵浦装置，其特征在于，切换开关一次只接通一个脉冲形成网络。
全文摘要
一种TE－CO
文档编号H01S3/0971GK1797875SQ20041010180
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月23日 优先权日2004年12月23日
发明者吴谨, 张昭, 王东雷, 柯常军, 谭荣清, 刘世明, 万重怡 申请人:中国科学院电子学研究所