专利名称：减小横向激励二氧化碳激光器输出激光脉冲初始尖峰方法
技术领域：
本发明涉及气体激光器件技术领域，是一种减小横向激励二氧化碳激光器输出激光脉冲初始尖峰方法。
背景技术：
横向激励二氧化碳激光器是20世纪七十年代发展起来的一种脉冲二氧化碳气体 激光器。这种激光器通常采用低感电路、快脉冲放电激励，脉冲放电时间短于辉光放电向弧 光放电转换的时间，能在大体积、高气压下实现均勻辉光放电，从而具有输出脉冲能量大、 峰值功率高、可高重复频率运转等特点，在工业、国防等领域有一定的应用。采用低感电路、快脉冲放电激励的横向激励二氧化碳激光器的输出典型激光波形 如图1所示，波形形状是一个窄尖峰脉冲加上一个长拖尾。窄尖峰脉冲即使本发明申请涉 及的由增益开关效应引起初始尖峰脉冲。窄尖峰脉冲宽度(半高度全宽度FWHM，下同)和 拖尾的长度与激光器工作气体组成和总气压有关，尖峰脉冲宽度(FWHM)约为30 200ns， 一般占整个激光脉冲能量的30% 50% ；拖尾长度一般为1 10 μ S。尖峰脉冲具有非常 高的峰值功率，脉冲幅度一般远远高于后部拖尾幅度。因为采用低感电路、快脉冲放电激励的横向激励二氧化碳激光器输出激光的初始 尖峰脉冲能量大和峰值功率高，这样的激光脉冲在空气中聚焦时容易引起空气击穿。当这 种激光用于工业加工时，聚焦激光导致空气击穿产生的等离子体会吸收激光，使激光不能 到达工件，从而影响加工效果。因此，如何减少横向激励二氧化碳激光器中输出激光脉冲中 增益开关效应引起的初始尖峰(包括峰值和尖峰脉冲占激光脉冲总能量的大小)，是一个 关键问题。为减小横向激励二氧化碳激光器输出脉冲中由增益开关效应引起的初始尖峰脉 冲，人们想了种种办法。这些方法中，德国人H. Arenz等采用横向激励二氧化碳激光器与 连续波二氧化碳激光器激光器共用一个光学谐振腔的办法，成功地抑制了激光器输出脉冲 中的增益开关效应引起的尖峰脉冲(参见H. Arenz, G. Sipos, P. Bickel, J. Christiansen, Ε. Eberl, D. H. H. Hoffmann, Pulse lengthening of a TE C02 laser for materials processing. SPIE Vol. 2788，74-82 (1996))，但是，这种方法除横向激励二氧化碳激光器本 身外，还需要一台连续波二氧化碳激光器，并且在横向激励二氧化碳激光器与连续波二氧 化碳激光器之间需要增加光学扩束元件作为过渡，整个激光器系统结构复杂，实现有些不 方便。另外一种方法就是在横向激励二氧化碳激光器中采用pulser/sustainer放电技 术。采用pulser/sustainer放电技术形成的激光器泵浦电路称为pulser/sustainer放电 电路。这种放电电路通过将注入激光器中的能量分为两部分的做法，降低产生增益开关效 应部分的激光放电能量，从而减少初始尖峰脉冲占整个激光脉冲能量的百分比。Pulser/sustainer放电技术是产生两次连续的高压脉冲放电的激光器激励技术。 第一次称为pulser放电，它与常规横向激励二氧化碳激光器的低感电路、快脉冲放电相似，用于在横向激励二氧化碳激光器主放电电极间均勻产生一定密度的均勻预电离电子数 密度和部分主放电。Pulser放电一般仅消耗全部注入能量的一小部分；第二次称为sustainer放电， 它紧接着第一次pulser放电进行，提供足够的电子温度来有效激励激光工作气体，但不产 生大量足以引起弧光放电的电子数密度。振动激发二氧化碳(CO2)或氮气(N2)的能量主要 由第二次sustainer脉冲放电提供。虽然，Pulser/sustainer放电技术将注入激光器的能量分为了两部分pulSer放 电部分和sustainer放电部分，其中pulser放电引起增益开关效应，理论上，减少pulser 放电的注入能量就能减少增益开关效应引起的初始尖峰脉冲，但实际上，pulser放电注入 能量的大小还受到横向激励二氧化碳激光器参数如增益体积大小、气体组成、混合总气压、 预电离电容的大小等的影响。当横向激励二氧化碳激光器增益体积大小、气体混合气组成、 混合总气压等确定时，预电离电容的大小对于减小pulser放电注入能量有重要影响。 以前，在横向激励二氧化碳激光器中，虽然也采用pulser/sustainer放电技术激 励，但是，由于技术发展水平的限制，即使pulser电路单独放电，横向激励二氧化碳激光 器仍然能够输出激光(参见 P. K. Bhadani and R. G. Harrison, Efficient long pulse TE C02 laser using magnetic-spiker sustainer excitation. Rev. Sci. Instrum. ,63(12) 5543-5545(1992))。当pulser电路单独放电横向激励二氧化碳激光器仍能输出激光时，因 为pulser电路放电是低感电路、快脉冲放电方式，增益开关效应依然强烈，激光脉冲波形 中的初始尖峰脉冲仍然有远高于后部拖尾的幅度，即峰值功率依然很高。也就是说，仅仅 是采用pulser/sustainer放电技术激励并不能有效减小增益开关效应引起的初始尖峰脉 冲。
发明内容
本发明的目的是，公开一种减小横向激励二氧化碳激光器输出激光脉冲初始尖峰 方法，可有效地减小横向激励二氧化碳激光器输出激光脉冲中因增益开关效应引起的初始 尖峰脉冲。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是一种减小横向激励二氧化碳激光器输出激光脉冲初始尖峰方法，其包括步骤第一步，无论是采用双边电容耦合火化针预电离还是采用单边电容耦合火化针预 电离，减小与火化针耦合的预电离电容a)若为小放电体积激光器，用电晕预电离方法减小预电离电容；b)当激光器放电体积较大时，是通过印刷线路板预电离技术，随需要改变预电离 电容值的大小；第二步，使用“横向激励二氧化碳激光器长脉冲泵浦装置”专利号 ZL200410101801. 3专利中的泵浦电路，为pulser/sustainer放电电路；激光器的全部注入能量E为E = l/2XaXV气+1/2X Σ(1)式中，Cs为Pulser放电电路总电容，Vs为Cs上的初始充电电压，Ci (i = 1,2,···, η)为sustainer电路中脉冲形成网络的电容，Vpfn为脉冲形成网络电容上的初始充电电压；Pulser放电属于低感快脉冲放电，能够产生增益开关效应，是引起激光脉冲中初 始尖峰脉冲的源头，Pulser放电注入能量占激光器全部注入能量的比例按下式0计算3 = (1/2 X Cs X V2S) / (1/2 X Cs X N\+l/2 X E CiXV2pfn)(2)第三步，通过放电来优化pulser/sustainer放电电路参数；在完成前两步后，激光器正常放电，输出激光，在激光器保证总能量注入和正常放 电的前提下，逐步减小pulser放电电容值，直至获得一个最小的pulser电容值，激光器仍 能维持稳定的pulser/sustainer放电；优化后的最小的pulser电容值彡全部sustainer电路电容值的10% ；第四步，优化pulser电路充电电压，选择最小的，同时保证激光器正常放电的 pulser电路充电电压作为激光器的工作电压。所述的方法，其所述第一步b)中的印刷线路板预电离技术，为“脉冲气体激光器” 专利号ZL00109165. 4专利中提供的印制板预电离技术，有效减小预电离电容。所述的方法，其所述第二步中，如果，pulser电容值难以减小，不能减小到总的 sustainer电容值的10%以下，则说明第一步的预电离电容值偏大，需进一步减小预电离 电容值。本发明一种减小横向激励二氧化碳激光器输出激光脉冲初始尖峰方法，提供了一 个有效的解决办法，通过改变激光器预电离电容、优化放电电路参数，可以有效地减小横向 激励二氧化碳激光器输出激光脉冲中因增益开关效应引起的初始尖峰脉冲。
图1为一个典型横向激励二氧化碳激光脉冲波形图；图2为本发明方法使用的横向激励二氧化碳激光器及其激励电路图；图3为一个使用本发明方法的实际激光输出脉冲波形图。
具体实施例方式在本发明方法中，通过减小横向激励二氧化碳激光器预电离电容、采用pulser/ sustainer放电技术、优化pulser/sustainer电路参数、优化pulser电路充电电压等手段 有机地应用于横向激励二氧化碳激光器设计中，可有效减小横向激励二氧化碳激光器输出 激光脉冲中因增益开关效应引起的初始尖峰脉冲。减小预电离电容Cp的一个成功方法是采用印制板预电离技术(参考专利“脉冲气 体激光器”，专利号ZL00109165.4，其内容在本申请中参照引用)。印制板预电离技术可以 使每个预电离电容Cp的大小根据情况设计，且结构简单紧凑。一种脉冲气体激光器，包括主放电电极，全反射端镜和输出耦合镜，其中两个主放 电电极为相对设置；在主放电电极的两侧与主放电电极相隔预定距离，分别排列有两印刷电路板预电 离器，印刷电路板预电离器包括印刷电路绝缘板，在印刷电路绝缘板的外侧固结有整板电 极，在印刷电路绝缘板的内侧固结有条形电极阵列。多个金属条形阵列的端部分别焊接难
5熔金属片如镍片、钼片、钨片或不锈钢片。印刷电路板的绝缘材料为环氧树脂板、陶瓷或玻
^^ o该两印刷电路板预电离器分别与两个主放电电极相连接，是由整板电极与主放电 电极相连接，其中下边的整板电极与主放电电极连接后并接地。主放电电极表面敷盖一层 难熔金属层。在主放电电极的另两侧与主放电电极相隔预定距离，分别置放有全反射镜和输出 耦合镜，该全反射镜和输出耦合镜组成了激光谐振腔。基于pulser/sustainer放电技术的激励电路可采用“横向激励二氧化碳激光器 长脉冲泵浦装置”专利(专利号ZL2004 10101801. 3，其内容在本申请中参照引用)中提 出的泵浦电路(参考“横向激励二氧化碳激光器长脉冲泵浦装置”专利第10页图4)，该激 励电路在本申请中称为pulser/sustainer放电电路(见本申请附图2)。一种“横向激励二氧化碳激光器长脉冲泵浦装置”的主要内容是由两个高压电容 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-C02激光器放电旁路电阻的一端与TE-C02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-C02激光器放电旁路电阻的另一端则与TE-C02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-C02激 光器主放电电极接地端，接地端接有安全地线。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。所述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。两个高压放电开关为高压间流管、高压触发管或高压球隙，互相独立，其导通起始 时间分别可控。利用激光器放电来优化pulser/sustainer放电电路参数，使在最小的pulser电 路电容和最小的pulser充电电压下，激光器仍能够稳定放电，这样，产生增益开关效应的 激光器注入能量降到了最小，因而，激光输出脉冲中，增益开关效应引起的初始尖峰脉冲将 得到大大减小。本发明方法中，建议采用小预电离电容Cp的方法来构建横向激励二氧化碳激光 器的电容Cp，这样就能减小pulser放电电容Cs，再通过放电优化，选择能够维持正常放电 的最小Cs电容值和最小的pulser电路初始充电电压Vs，可将pulser电路的注入能量降至 最小，在这样的横向激励二氧化碳激光器中，单独的pulser放电不会产生激光输出，从而 大大减小了增益开关效应引起的初始尖峰脉冲。总而言之，本发明提供了一个有效减小横向激励二氧化碳激光器输出激光脉冲中初始尖峰脉冲的方法。本发明方法的实施分为四个步骤第一步，采用小预电离电容技术设计横向激励二氧化碳激光器的紫外预电离结 构。无论是采用双边电容耦合火化针预电离还是采用单边电容耦合火化针预电离，与 火化针耦合的预电离电容的电容值要小。减小预电离电容的方法有电晕预电离、弱火化预 电离等，电晕放电产生的预电离较弱，只适用于小放电体积激光器，不适合大的放电体积激 光器；当激光器放电体积较大时，弱火化预电离可通过印制板预电离技术实现。印制板预电 离技术的具体实现方法可参见专利“脉冲气体激光器”(专利号ZL00109165.4，其内容在 本申请中参照引用)。印制板预电离技术通过采用印刷线路板设计随意改变电容值的大小， 方便灵活，结构紧凑。第二步，本发明设计的横向激励二氧化碳激光器的激励电路采用pulser/ sustainer技术放电激励。基于Pulser/sustainer放电技术的电路有多种实现方式，本发明申请建议采用 “横向激励二氧化碳激光器长脉冲泵浦装置”(专利号ZL200410101801.3，其内容在本申 请中参照引用)提供了一个泵浦电路，本申请中称为pulser/sustainer电路，具体电路图 如图2所示。图2中，CCPS1和CCPS2为采用恒流方式充电的高压电容充电电源，VI和V2 为高压放电开关，Cs为pulser放电电路的高压贮能电容(简称pulser电路电容)，D1为 高压充电二极管，Rp、Lp、分别为放电旁路电阻和旁路电感，Li，Ci(i = 1,2,，!!)为组成 sustainer放电电路的脉冲形成网络电感和电容，Cp为激光器预电离电容，一般与激光器 主放电电极对一起密封在激光器腔体中。图2中，0^51、(^^1、01、1^、14)组成？1118吐电 路，pulser电容通过开关VI向激光器进行放电，实现pulser放电能量注入；CCPS2、V2、Li， Ci(i = 1,2,…，n)、Dl、Rp、Lp 组成 sustainer 电路，脉冲形成网络 Li，Ci (i = 1,2,…， n)通过V2向激光器放电，实现sustainer放电能量注入。图2中，当Cs初始充电电压为Vs，脉冲形成网络电容Ci(i = 1，2，…，n)初始充 电电压为Vpfn时，激光器的全部注入能量E为E = 1/2XCsXV2s+1/2X E CiXV2pfn(1)式中，Cs为Pulser放电电路总电容，Vs为Cs上的初始充电电压，Ci(i = 1,2,-, n)为sustainer电路中脉冲形成网络的电容，Vpfn为脉冲形成网络电容上的初始充电电压。上式中，第一项为pulser放电注入能量，第二项为sustainer放电注入能量。 Pulser放电属于低感快脉冲放电，能够产生增益开关效应，是引起激光脉冲中初始尖峰脉 冲的源头。Pulser放电注入能量占激光器全部注入能量的比例0按下式计算3 = (1/2 X Cs X V2S) / (1/2 X Cs X V2s+l/2 X E C.XV2^)------(2)可见，减小⑵式的值就是要想方设法减少⑴式中的第一项，即pulser放电注 入能量，从而减小增益开关效应引起的初始尖峰脉冲。第三步，通过放电来优化pul ser/sustainer放电电路参数。在完成前两步后，激光器可以正常放电，输出激光，但是，还需要进一步优化pulser/sustainer放电电路参数。优化电路参数的方法是在激光器保证总能量注入和正常 放电的前提下，逐步减小pulser放电电容值，直至获得一个最小的pulser电容值。采用这 个最小的pulser电容值，激光器能维持稳定的pulser/sustainer放电。实施这一步，有一个重要的注意点，优化后的pulser电容值应当不超过全部 sustainer电路电容值的10%。如果，pulser电容值难以减小，不能减小到总的sustainer 电容值的10%以下，则说明第一步的预电离电容值偏大，还需进一步减小预电离电容值。第四步，优化pulser电路充电电压，选择较低的、可保证激光器正常放电的 pulser电路充电电压作为激光器的工作电压。当实施完前面三步后，激光器可以在不同的pulser电路充电电压下进行正常放 电，本发明要求采用较低的pulser电路充电电压作为激光器的正常工作电压。下面给出一个具体的实施实例，可以看出，按本发明设计的横向激励二氧化碳激 光器输出激光脉冲中由增益开关效应引起的初始尖峰脉冲不仅幅度和后部拖尾相当，而 且，初始尖峰脉冲所占激光脉冲总能量的分量可低于3. 5%。一台横向激励二氧化碳激光器，主放电电极长度900mm，宽度25mm，电极间 距52mm，采用双边火花针预电离，预电离电容由印制板技术设计而成，每个电容llpF， 每边136个，双边共272个。激光器工作气体采用五种混合气体组成，体积比为 V(C02) V(N2) V(He) V(C0) V(H2) = 6% 15% 64% 3. 2% 0.8%，总气 压30kPa。在这种混合气下，当sustainer网络参数为CI = C8 = C9 = C10 = 4nF, C2 = C3 = C4 = C5 = 16nF，C6 = C7 = 10nF and Li = 155uH(i = 1，2，…，10)时，经过优化的 pulser电容为Cs = 6nF。在这样的参数下，当pulser充电电压Vs = 30kV, sustainer电 路充电电压为Vpfn = 36kV时，激光器工作正常。这时，根据公式(2)，可计算得到pulser 放电注入能量只占整个激光放电注入能量的4%。激光输出脉冲波形如图3所示。在图3中，增益开关效应引起的初始尖峰脉冲的幅度和后部拖尾差不多，所占整 个激光脉冲能量份额很小。因为预电离放电还要消耗pulser放电注入能量，所以，图3所 示的激光脉冲中，初始尖峰脉冲所占整个激光脉冲能量的份额将小于4%。在上述参数下当pulser电路充电电压Vs = 28kV，sustainer电路充电电压为 Vpfn = 36kV时，激光器依然工作正常。这时，根据公式(2)，可计算得到pulser放电注入 能量只占全部放电注入能量的3.5%，减去部分主放电消耗，也就是说，增益开关效应引起 的初始尖峰脉冲不到全部激光脉冲能量的3. 5%。
权利要求
一种减小横向激励二氧化碳激光器输出激光脉冲初始尖峰方法，其特征在于，包括步骤第一步，无论是采用双边电容耦合火化针预电离还是采用单边电容耦合火化针预电离，减小与火化针耦合的预电离电容a)若为小放电体积激光器，用电晕预电离方法减小预电离电容；b)当激光器放电体积较大时，是通过印刷线路板预电离技术，随需要改变预电离电容值的大小；第二步，使用横向激励二氧化碳激光器长脉冲泵浦装置中的泵浦电路，为pulser/sustainer放电电路；激光器的全部注入能量E为E＝1/2×CS×V2S+1/2×∑Ci×V2pfn (1)(1)式中，Cs为Pulser放电电路总电容，Vs为Cs上的初始充电电压，Ci(i＝1，2，…，n)为sustainer电路中脉冲形成网络的电容，Vpfn为脉冲形成网络电容上的初始充电电压；Pulser放电属于低感快脉冲放电，能够产生增益开关效应，是引起激光脉冲中初始尖峰脉冲的源头，Pulser放电注入能量占激光器全部注入能量的比例β按下式计算β＝(1/2×CS×V2S)/(1/2×CS×V2S+1/2×∑Ci×V2pfn) -----(2)第三步，通过放电来优化pulser/sustainer放电电路参数；在完成前两步后，激光器正常放电，输出激光，在激光器保证总能量注入和正常放电的前提下，逐步减小pulser放电电容值，直至获得一个最小的pulser电容值，激光器仍能维持稳定的pulser/sustainer放电；优化后的最小的pulser电容值≤全部sustainer电路电容值的10％；第四步，优化pulser电路充电电压，选择最小的，同时保证激光器正常放电的pulser电路充电电压作为激光器的工作电压。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步b)中的印刷线路板预电离技术， 为脉冲气体激光器中的印制板预电离技术，有效减小预电离电容。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二步中，如果，pulser电容值难以减 小，不能减小到总的sustainer电容值的10%以下，则说明第一步的预电离电容值偏大，需 进一步减小预电离电容值。
全文摘要
本发明公开了一种减小横向激励二氧化碳激光器输出激光脉冲初始尖峰方法，涉及气体激光器件技术，该方法包括减小与火化针耦合的预电离电容；使用pulser/sustainer放电电路；通过放电优化pulser/sustainer放电电路参数，使pulser电容值≤全部sustainer电路电容值的10％；选择最小的pulser电路充电电压，同时保证激光器正常工作。本发明方法，可大大减小横向激励二氧化碳激光器输出激光脉冲波形中由增益开关效应引起的初始尖峰脉冲的幅度和尖峰脉冲占整个激光脉冲总能量的百分含量。实施例表明，激光器输出脉冲中由增益开关效应引起的尖峰脉冲可减小到不到整个激光脉冲能量的3.5％。
文档编号H01S3/223GK101847819SQ20091008091
公开日2010年9月29日 申请日期2009年3月25日 优先权日2009年3月25日
发明者刘世明, 卢远添, 吴谨, 王东蕾 申请人:中国科学院电子学研究所