闭环放电激励脉冲重频气体激光器及其运行方法与流程

本发明涉及放电激励气体激光技术领域，尤其是涉及基于静电除尘原理的具有自清洁光窗的闭环放电激励脉冲重频气体激光器及其运行方法。

背景技术：

放电激励脉冲重频气体激光器通常采用闭合循环方式，利用气体循环装置实现放电区域气体快速置换，消除前一个脉冲放电对后续脉冲的影响。然而为了保证激光器的电绝缘，激光器光窗一般采用向外突起结构，激光器运行过程中光窗内的气体不能通过气体循环装置实现有效置换，放电生成的大量微粒聚集在激光器光窗区域。这些微粒会附着在窗口玻璃内表面，污染激光窗口玻璃，减小窗口玻璃的透过率，致使激光器输出能量降低。

技术实现要素：

为了解决放电激励脉冲重频气体激光器的窗口玻璃污染问题，本发明提供一种基于静电除尘原理的自清洁光窗及闭环放电激励脉冲重频气体激光器。

本发明的技术解决方案是提供一种闭环放电激励脉冲重频气体激光器，包括激光器主体1、气体循环装置4、气体供给单元7与真空单元6，上述激光器主体1包括进/出气端口，上述气体循环装置4与激光器主体1的进/出气端口连通，上述气体供给单元7与真空单元6均连接在气体循环装置4上，其特殊之处在于：

还包括自清洁光窗2，上述自清洁光窗2包括窗口玻璃11与光窗清洁器；

上述光窗清洁器包括消能箱10与气体过滤器9；

上述消能箱10包括一端倾斜的筒体101，上述筒体内部径向设置有多个消能片12；上述窗口玻璃11密封固定在筒体101的倾斜端，筒体101的另一端与激光器的出射端密封固连；筒体101上开设辅助气流接口103；

上述气体过滤器9包括腔体98，设置于腔体98上的进气口91与出气口92，上述进气口91通过气管与气体循环装置4连通，上述出气口92通过气管与消能箱的辅助气流接口103连通。

优选地，上述气体过滤器的腔体内从进气口至出气口依次设置多层金属网93、静电除尘电离区94、静电除尘收集区95、滤网96；

还包括输出电压可调的供电单元、位于腔体内壁的绝缘支撑90与位于静电除尘收集区下方的灰斗97；

上述静电除尘电离区包括多层板状地电极和网状高压电极，所述地电极和高压电极交叉平行放置，高压电极安装在绝缘支撑90上，与供电单元相连；地电极安装在腔体98上，地电极和高压电极平行于气体流动方向；

上述静电除尘收集区包括板状地电极和板状高压电极，地电极和高压电极交叉平行放置，高压电极安装在绝缘支撑90上，与高压直流电源99相连；地电极安装在腔体98上，地电极和高压电极平行于气体流动方向。

优选地，上述多层金属网93为不锈钢网；静电除尘电离区高压电极为不锈钢网，地电极为不锈钢板；静电除尘收集区高压电极与地电极均为不锈钢板；滤网采用锰镍合金纤维织成。

优选地，上述消能片102为中心带孔的圆片，还包括一个尾柄107，通过尾柄107将消能片102固定在消能箱的筒体101上。

优选地，消能箱筒体101的两端设置有法兰，窗口玻璃11通过法兰密封安装在筒体的倾斜端；筒体另一端通过法兰密封安装在激光器主体1上。

优选地，上述气体循环装置4包括两端与激光器主体1连通的气体循环管道41、位于管道内的风机42与栅网43；从风机到激光器主体方向，循环管道采用横向(光轴方向)扩张结构、纵向(垂直于光轴方向)收缩结构。

优选地，激光器主体采用不锈钢金属框架，一面安装有尼龙板，激光器的脉冲放电泵浦源5连接在尼龙板上。

优选地，上述气体供给单元7包括气源71、通过气管、阀门与气源连通的气体流量控制器72及用于监测激光器内部工作气体压力的气压表73，其中气源为不锈钢压力容器；上述真空单元6包括真空泵61、压力传感器62和真空显示仪63。

优选地，辅助气流接口15位于靠近窗口玻璃的一端；光窗清洁器的筒体为不锈钢圆筒，消能片为不锈钢圆片。

本发明还提供一种上述的放电激励气体激光器运行方法，包括以下步骤：

第一，调整激光器谐振腔；

第二，真空单元给激光器抽真空；

第三，气体供给单元给激光器内充入满足要求的工作气体；

第四，开启激光器气体循环装置，工作气体在气体循环装置中流动；

第五，开启脉冲放电泵浦源，激光器重频放电；

第六，在激光运行过程中，气管从风机出口处引出一定流量的工作气体，该气流在气体过滤器中经静电除尘和两级过滤除去前一个脉冲放电产生的大量微粒，转变成清洁的工作气体，并送至激光器光窗，在光窗内部形成紊流；

第七，关闭放电激励气体激光器。

闭环放电激励脉冲重频激光器运行时，气体循环装置驱动激光器内部工作气体循环流动，自清洁光窗从气体循环装置中风机出口处引出一股气流，通过气体过滤器除尘净化后，输送到消能箱中，在激光器光窗内形成紊流，减弱放电形成微粒向光窗的动能，使这些微粒不能到达激光器窗口玻璃内表面，实时清洁窗口玻璃，防止窗口玻璃被污染。

本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明采用了基于静电除尘原理的气体过滤器及自清洁光窗，有效净化了激光工作气体，可为激光器光窗提供清洁的辅助气流并在不开腔的情况完成放电激励脉冲重频气体激光器窗口玻璃内表面的清洁，不破坏激光器的运行环境。

2、本发明从放电激励脉冲重频气体激光器的气体循环装置中引出用于清洁光窗的辅助气流，不需要额外供给辅助气流，简化激光器结构。

3、本发明引用激光器内部工作气体作为清洁光窗用的辅助气流，不改变激光器工作气体的组分和压力，不影响激光器内部气体状态。

4、本发明中自清洁光窗的辅助气流大小与放电频率和放电电压自相关，不需要进行额外控制。

5、本发明实现了放电激励脉冲重频气体激光器光窗自清洁，放电微粒不能到达激光器窗口玻璃内表面，在激光器运行过程中实时保护窗口玻璃不受污染，有利于激光器输出能量稳定性。

附图说明

图1是闭环放电激励脉冲重频气体激光器结构主视示意图；

图2是闭环放电激励脉冲重频气体激光器结构侧视示意图；

图3是自清洁光窗结构示意图；

图4是窗口及消能箱结构示意图；

图5是基于静电除尘原理的气体过滤器结构示意图。

附图标记为：1-激光器主体，2-自清洁光窗，3-谐振腔，4-气体循环装置，41-气体循环管道，42-风机，43-栅网，5-脉冲放电泵浦源；6-真空单元，61-真空泵，62-压力传感器，63-真空显示仪，7-气体供给单元，71-气源，72-气体流量控制器，73-气压表，8-尼龙板，9-气体过滤器，90-绝缘支撑，91-进气口，92-出气口，93-多层金属网，94-静电除尘电离区，95-静电除尘收集区，96-滤网，97-灰斗，98-腔体，99-高压直流电源，10-消能箱，101-筒体，102-消能片，103-辅助气流接口，104-固定法兰，105-窗口连接法兰，106-凹槽，107-尾柄，11-窗口玻璃，12a、12b、12c-气体截止阀门，13a、13b、13c-气管。

具体实施方式

如图1所述，在闭环放电激励脉冲重频气体激光器中，激光器主体1采用不锈钢金属框架，尺寸为700mm×180mm×80mm，一面安装有尼龙板8，作为激光器脉冲放电泵浦源5的连接端。两个自清洁光窗2分别安装在激光器主体1的两端，与激光器主体1共同构成激光腔室。脉冲放电泵浦源5连接到尼龙板上，用于给激光器提供重频高电压泵浦脉冲。谐振腔3作用在于形成腔内激光振荡，实现激光输出，其由一对直径50mm的光学镜片组成，前镜对输出激光部分透过，后镜对输出激光全反射。

如图2所述，气体循环装置4连接在激光器主体1进/出气端口法兰上，与激光器主体组成闭合的气体循环回路，用于驱动工作气体沿图中箭头所示的方向在激光器内循环流动，其包括气体循环管道41、风机42和栅网43。从风机到激光器主体方向，循环管道采用横向扩张结构(光轴方向)、纵向收缩结构(垂直于光轴方向)，与风机相连的端口直径为300mm，与激光器主体相连的接口尺寸为640mm×48mm。风机选用轴流风机，为气体循环流动提供动力，端口直径为300mm，转速最大8000转/分钟，额定流量540m³/h。栅网用于匀化气流，放置在风机出口和激光器主体入口附近，采用蜂窝网结构，厚度20mm。

气体供给单元7用于给激光器充入工作气体，包括气源71、气体截止阀门12a和12b、气体流量控制器72、气管13a和气压表73。气源71为不锈钢气体压力容器，体积40l，最大压力15mpa，充有激光器工作气体，出口气压0～10atm可调。气体截止阀门12a和12b的通径为3mm，接口为标准d6接口。气体流量控制器72用于控制气体供给单元气体的流速，选用气体质量流量控制器，流量调节范围0～200slm。气管13a为外径6mm的金属气管。气压表73为数字压力表，用于监测激光器内部工作气体压力。

真空单元6用于激光器抽真空，包括真空泵61、气体截止阀门12c、压力传感器62、真空显示仪63和气管13b。真空泵的抽速为4l/s，接口为kf25型；气体截止阀门12c的通径为20mm，接口为kf25；气管13b为直径25mm的波纹管；压力传感器62为zj52金属电阻规管，探测极限真空为10^-1pa，与真空显示仪相连，监测激光器的真空度。

图3所示的自清洁光窗包括光窗清洁器和窗口两个部分，其作用是使工作气体与外界隔离，且让激光高效传输通过。窗口由窗口玻璃11、固定法兰104和窗口连接法兰105组成(图4)，窗口玻璃直径60mm；固定法兰104为不锈钢，外径80mm，中心通孔直径50mm，四个直径5mm的安装孔均布在法兰上；窗口连接法兰105采用尼龙材料，一端为斜面。窗口玻璃通过固定法兰104和窗口连接法兰105安装在光窗清洁器上，窗口安装倾斜角度为7度。光窗清洁器包括消能箱10、气管13c和气体过滤器9，气管13c将一股气流从激光器气体循环管道引出，通过气体过滤器后送至消能箱10，气管13c为直径12mm的金属气管。

如图4所述，消能箱10包括金属外壳筒体101、辅助气流接口103和消能片102。金属外壳筒体101用于设置辅助气流接口103和安放消能片组102，采用不锈钢圆筒结构，其外径为80mm，内径为50mm，长50mm，两侧端面各有一个固定法兰104，每个固定法兰104上分布有密封槽和多个安装孔，金属外壳筒体101通过两端的法兰与激光器主体和窗口密封连接。辅助气流接口103靠近激光窗口，用于连接气管13c，引入辅助气流。为了连接方便，且具有良好的气密性，辅助气流接口103采用标准d12型卡套气管接口形式，通径为12mm，采用不锈钢材料。消能片102主要有两个作用：一是扰动气体流动，有利于气体在金属腔体内形成紊流，二是与金属外壳筒体101共同构成用于沉积微粒的凹槽106，它由三个消能片构成，三个消能片均为中心带孔的不锈钢圆片，其外径为50mm，内径为30mm，厚度为2mm。每个消能片有一个尾柄107，尾柄上有一个直径4mm的孔，通过m3螺钉固定在不锈钢金属外壳上。

图5为基于静电除尘原理气体过滤器，包括方形外腔体98、进气口91、多层金属网93、静电除尘电离区94、静电除尘收集区95、绝缘支撑90，灰斗97、末端滤网96、出气口92和高压直流电源99。方形外腔体98采用不锈钢材料，壁厚2mm，尺寸为200mm×160mm×40mm，用于安放多层金属网93、静电除尘电离区94、静电除尘收集区95、灰斗97和末端滤网96。进气口91和出气口92分别设置在方形外腔98的两端，采用标准d12型卡套气管接口形式，通径为12mm，采用不锈钢材料，与气管13c连接。多层金属网93为4层80目的不锈钢网组成，每层间隔3mm，其作用在于对气体进行初次过滤，消除较大尺寸的微粒，匀化气流，同时消除气体中的残余电荷。静电除尘电离区94的用途是通过静电电离气体，从而使气体中的微粒带电，它由多层板状地电极和网状高压电极交叉平行放置组成，高压电极和地电极间距为5mm，高压电极为80目的不锈钢网，安装在绝缘支撑90上，与高压直流电源99相连；地电极为厚1.5mm的不锈钢板，安装在方形外腔体98上，地电极和高压电极平行于气体流动方向，沿气流方向尺寸均为30mm。静电除尘收集区95紧贴静电除尘电离区94安放，其作为通过静电吸附原理收集带电的微粒，同样采用地电极和高压电极交叉平行安装结构，地电极和高压电极均为1.5mm厚的不锈钢板，高压电极安装在绝缘支撑90上，连接到高压直流电源，地电极安装在方形外腔体98上。沿气流方向的尺寸为60mm。静电除尘收集区95下方设有灰斗97，用于存放灰尘。末端滤网96采用锰镍合金纤维织成，具有强化静电捕集和过滤拦截微粒的双重功效，其厚度为15mm。高压直流电源为直流高压电源，输出电压0～10kv可调。

带自清洁光窗的闭环放电激励脉冲重频气体激光器运行过程如下：

第一，激光器谐振腔准备就绪；

第二，真空单元给激光器抽真空；

第三，气体供给单元给激光器内充入满足要求的工作气体；

第四，脉冲放电泵浦源准备就绪；

第五，激光器气体循环装置开启，工作气体在气体循环装置中流动；

第六，开启脉冲放电泵浦源，激光器重频放电，同时输出重频激光脉冲；

第七，在激光运行过程中，气管从风机出口处引出一定流量的工作气体，该气流在气体过滤器中经静电除尘和两级过滤除去前一个脉冲放电产生的大量微粒，转变成清洁的工作气体，并送至激光器光窗，在光窗内部形成紊流，消弱放电微粒飞向窗口的动能，使放电微粒不能到达并附着在窗口玻璃内表面，并将这些放电微粒吹离光窗区域，实时清洁激光器光窗；

第八，关闭放电激励气体激光器。

本发明不局限于上述具体实施方式，比如激光器主体不限于上述尺寸和结构；气体循环管道不限于外循环方式；风机不限于轴流风机和上述接口尺寸；谐振腔镜直径不限于50mm；激光器气源不限于40l；激光器光窗不限于圆筒形，窗口玻璃直径不限于60mm，光窗清洁器的金属外壳的材料不限于不锈钢；消能片组中消能片的个数不限于3个，消能片的形状不限于空心圆片，消能片的材料不限于不锈钢；气管接口不限于标准d12型卡套气管接口形式；气管不限于外径12mm；气体过滤器不限于方形结构，尺寸不限于200mm×160mm×40mm，多层金属网的材料不限于不锈钢网，层数不限于4层；静电除尘区不限于上述具体尺寸，电离区和收集区不限于分离形式；末端滤网不限于锰镍合金纤维网。