小型化非链式脉冲DF/HF激光装置及其激发方法

小型化非链式脉冲df/hf激光装置及其激发方法
技术领域
1.本发明涉及中化学激光器技术领域，特别涉及一种小型化非链式脉冲df/hf激光装置及其激发方法。


背景技术：

2.基于化学反应的非链式脉冲氟化氘/氟化氢(df/hf)激光器，其输出波段为2.6～4.2μm，处于大气传输窗口，覆盖了众多原子及分子的吸收峰，因此在光谱学、激光雷达、大气监测及军事等诸多领域均有重要的应用价值和前景。鉴于非链式脉冲df/hf激光器的工作机理相似，在此仅以非链式脉冲df激光器为例进行说明。非链式脉冲df激光器依靠化学反应释放的能量完成泵浦过程，由于化学反应过程的不可逆性，非链式脉冲df激光器的工作物质随着工作时间的延长而逐渐消耗，且化学反应产物对上能级的df分子具有消激发作用，上述工作机制限制了封闭式非链式脉冲df激光器的稳定工作时间。为了延长工作时间，通常采用分子筛吸附化学反应产物来抑制其消激发作用，并通过实时向腔内补充工作气体的方式补充化学反应消耗的工作气体。分子筛虽然可吸附化学反应产物，但也引入了巨大的气体流动阻力，而向腔内补充的新工作气体将与腔内的原工作气体混合在一起，需要高效的循环流动系统进行降温，这导致循环流动系统的结构变得复杂、体积庞大。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种小型化非链式脉冲df/hf激光装置及其激发方法，通过向放电区快速直充新鲜的工作气体，放电结束后快速清除工作尾气的方式，实现工作气体的快速更新，可有效延长非链式脉冲df/hf激光装置的稳定工作时间，因无需采用流阻巨大的分子筛和结构复杂的循环流动系统，可实现脉冲df/hf激光装置的小型化。
4.为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
5.本发明提供的小型化非链式脉冲df/hf激光装置，包括储气模块、智能快速充气模块、激光放电模块、尾气处理与排放模块和中央控制模块；其中，储气模块用于存储工作气体；智能快速充气模块用于将储气模块内存储的工作气体充入激光放电块；激光放电模块用于对工作气体进行放电产生激光增益，形成激光输出；尾气处理与排放模块用于对激光放电模块放电时产生的工作尾气进行有害成分吸附处理，并将处理后的工作尾气排放到大气中；中央控制模块用于分别对储气模块、智能快速充气模块、激光放电模块、尾气处理与排放模块进行控制，实现在单次放电前通过智能快速充气模块向激光放电模块充入工作气体，在单次放电后通过尾气处理与排放模块排空激光放电模块产生的工作尾气。
6.优选地，储气模块包括sf6储气瓶、d2储气瓶、sf6充气管道、sf6充气流量计、d2充气流量计、d2充气管道、真空储气腔体和真空储气腔体压力传感器；其中，sf6储气瓶、sf6充气流量计、真空储气腔体依次通过sf6充气管道连接，sf6储气瓶用于存储sf6气体，sf6充气管道用于将sf6储气瓶内的sf6气体输送至真空储气腔体，sf6充气流量计与中央控制模块连
接，用于在中央控制模块的控制下控制sf6气体的充气量；d2储气瓶、d2充气流量计、真空储气腔体依次通过d2充气管道连接，d2储气瓶用于存储d2气体，d2充气管道用于将d2储气瓶内的d2气体输送至真空储气腔体内，d2充气流量计与中央控制模块连接，用于在中央控制模块的控制下控制d2气体的充气量；真空储气腔体压力传感器与中央处理模块连接，用于实时测量真空储气腔体内的气压，并发送至中央处理模块。
7.优选地，智能快速充气模块包括充气电磁阀和混合气管道，真空储气腔体、充气电磁阀、激光放电模块依次通过混合气管道连接，混合气管道用于将真空储气腔体内混合的d2气体与sf6气体输送至激光放电模块，电磁阀与中央控制模块连接，用于在中央控制模块的控制下控制混合气管道的通断。
8.优选地，激光放电模块包括放电腔体、放电电极、谐振腔反射镜、谐振腔输出镜和放电腔体压力传感器；其中，放电腔体具有进气管口和排气管口，进气管口与混合气管道连接，真空储气腔体内混合的d2气体与sf6气体从进气管口进入放电腔体内；放电电极镶嵌放电腔体内，用于对混合的d2气体与sf6气体放电，产生激光增益；放电腔体位于谐振腔反射镜与谐振腔输出镜之间，谐振腔反射镜和谐振腔输出镜构成光学谐振腔，在光学谐振腔的反馈下，放电腔体内形成激光振荡输出；放电腔体压力传感器与中央处理模块连接，用于实时测量放电腔体的气压，并发送至中央处理模块。
9.优选地，谐振腔反射镜为曲率半径大于10m的凹面反射镜，谐振腔输出镜为半透半返平面镜。
10.优选地，凹面反射镜为镀金铜镜，半透半返平面镜为znse平面镜。
11.优选地，尾气处理与排放模块包括排气电磁阀、连接管道、真空排放腔体、真空排放腔体压力传感器、真空泵和尾气处理池；其中，排气管口、排气电磁阀、真空排放腔体依次通过连接管道连接，连接管道用于将放电腔体排放的工作尾气输送至真空排放腔体，排气电磁阀与中央控制模块连接，用于在中央控制模块的控制下控制连接管道的通断；真空泵用于将真空排放腔体内临时存储的工作尾气抽出送至尾气处理池；尾气处理池用于对该工作尾气进行有害成分吸附；真空排放腔体压力传感器与中央处理模块连接，用于实时测量真空排放腔体内的气压，并发送至中央处理模块。
12.优选地，尾气处理池包括尾气处理箱，尾气处理箱内充满分子筛吸附剂，分子筛吸附剂用于吸附工作尾气中的有害成分；在尾气处理箱上开设有尾气排放出口，用于将处理后的工作尾气排放到大气中。
13.本发明提供的小型化非链式脉冲df/hf激光装置的激发方法，在单次激发过程中，包括如下步骤：
14.s1、通过中央控制模块的控制，驱使智能快速充气模块将储气模块存储的工作气体填充到激光放电块；
15.s2、通过中央控制模块的控制，驱使激光放电模块对工作气体进行放电产生激光增益，形成激光输出；
16.s3、通过中央控制模块的控制，驱使尾气处理与排放模块对激光放电模块放电时产生的工作尾气进行有害成分吸附处理，并将处理后的工作尾气排放到大气中。
17.优选地，步骤s1具体包括如下步骤：
18.s110、打开sf6充气流量计和d2充气流量计，向真空储气腔体内充入sf6气体和d2气
体；
19.s120、打开充气电磁阀，真空储气腔体向放电腔体内充入混合的sf6气体和d2气体；
20.步骤s2具体包括如下步骤：
21.s210、关闭充气电磁阀，放电电极对放电腔体内混合的sf6气体和d2气体进行放电，产生激光增益，在光学谐振腔的反馈下，形成激光振荡输出；
22.步骤s3具体包括如下步骤：
23.s310、在形成激光振荡输出后，打开排气电磁阀，将放电腔体内放电产生的工作尾气排到真空排放腔体；
24.s320、通过真空泵将真空排放腔体内临时存储的工作尾气抽出送至尾气处理池进行有害成分吸附，再排放到大气中。
25.与现有的非链式脉冲df/hf激光器相比，本发明通过向放电区快速直充新鲜的工作气体，放电结束后快速清除化学反应产物的方式，实现工作气体的快速更新，可有效延长非链式脉冲df/hf激光装置的稳定工作时间，提升非链式脉冲df/hf激光装置重频工作时的功率稳定性，因无需采用流阻巨大的分子筛和结构复杂的循环流动系统，可压缩非链式脉冲df/hf激光装置的体积。
附图说明
26.图1是根据本发明实施例提供的非链式脉冲df/hf激光装置的逻辑结构示意图；
27.图2是根据本发明实施例提供的非链式脉冲df/hf激光装置的具体结构示意图；
28.图3是根据本发明实施例提供的激光放电模块的具体结构示意图。
29.其中的附图标记包括：储气模块1、sf6气瓶1-1、d2气瓶1-2、sf6充气管道1-3、sf6充气流量计1-4、d2充气流量计1-5、d2充气管道1-6、真空储气腔体1-7、真空储气腔体压力传感器1-8、智能快速充气模块2、混合气管道2-1、充气电磁阀2-2、激光放电模块3、进气管口3-1、放电腔体3-2、放电电极3-3、排气管口3-4、放电腔体压力传感器3-5、谐振腔反射镜3-6、谐振腔输出镜3-7、激光3-8、尾气处理与排放模块4、电磁阀4-1、连接管道4-2、真空排放腔体4-3、真空泵4-4、真空排放腔体压力传感器4-5、尾气处理箱4-6、尾气排放出口4-7、中央处理模块5。
具体实施方式
30.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
32.图1是根据本发明实施例提供的非链式脉冲df/hf激光装置的逻辑结构。
33.如图1所示，本发明实施例提供的非链式脉冲df/hf激光装置包括储气模块1、智能快速充气模块2、激光放电模块3、尾气处理与排放模块4和中央控制模块5；其中，储气模块1用于存储工作气体，工作气体包括sf6气体和d2气体，储气模块1根据特定比例和气压独立存
储sf6气体和d2气体；智能快速充气模块2用于将储气模块1内存储的工作气体充入激光放电块3；激光放电模块3用于对工作气体进行放电产生激光增益，形成激光输出；尾气处理与排放模块4用于对激光放电模块3放电时产生的工作尾气进行有害成分吸附处理，并将处理后的工作尾气排放到大气中；中央控制模块5采用单片机、工控机等硬件结构，用于分别对储气模块1、智能快速充气模块2、激光放电模块4、尾气处理与排放模块4进行控制，实现在单次放电前通过智能快速充气模块2向激光放电模块3充入工作气体，在单次放电后通过尾气处理与排放模块4排空激光放电模块3产生的工作尾气。
34.本发明采用向激光放电模块3快速直充新鲜的工作气体，放电结束后通过尾气处理与排放模块4快速清除化学反应产物的方式，实现工作气体的快速更新，可有效延长非链式脉冲df/hf激光装置的稳定工作时间，提升非链式脉冲df/hf激光装置重频工作时的功率稳定性，因无需采用流阻巨大的分子筛和结构复杂的循环流动系统，可压缩非链式脉冲df/hf激光装置的体积。
35.图2示出了根据本发明实施例提供的非链式脉冲df/hf激光装置的具体结构，分别对储气模块1、智能快速充气模块2、激光放电模块3、尾气处理与排放模块4和中央控制模块5进行详细说明。
36.如图2所示，储气模块1包括sf6储气瓶1-1、d2储气瓶1-2、sf6充气管道1-3、sf6充气流量计1-4、d2充气流量计1-5、d2充气管道1-6、真空储气腔体1-7和真空储气腔体压力传感器1-8。
37.sf6储气瓶1-1、sf6充气流量计1-4、真空储气腔体1-7依次通过sf6充气管道1-3连接，sf6储气瓶1-1为标准气体钢瓶，用于存储sf6气体，对sf6储气瓶1-1加压处理，使sf6储气瓶1-1内的sf6气体变为液态，以便多存储sf6气体，sf6气体输送到大气压下恢复为气态；sf6储气瓶1-1内高压的sf6气体为液态，sf6充气管道1-3为充气软管，用于将sf6储气瓶1-1内的sf6气体输送至真空储气腔体1-7内，sf6充气流量计1-4与中央控制模块5连接，sf6充气流量计1-4在中央控制模块5的控制下控制sf6气体的充气量，sf6充气流量计1-4的流量规格可选为0-1000slm。
38.d2储气瓶1-2、d2充气流量计1-5、真空储气腔体1-7依次通过d2充气管道1-6连接，d2储气瓶1-2为标准气体钢瓶，用于存储d2气体，d2气体为气态，d2充气管道1-6为充气软管，用于将d2储气瓶1-2内的d2气体输送至真空储气腔体1-7内，d2充气流量计1-5与中央控制模块5连接，d2充气流量计1-5在中央控制模块5的控制下控制d2气体的充气量，d2充气流量计1-5的流量规格可选为0-300slm。
39.真空储气腔体压力传感器1-8与中央处理模块5连接，用于实时测量真空储气腔体1-7内的气压，并发送至中央处理模块5，通过中央控制模块5控制控制sf6充气流量计1-4和d2充气流量计1-5的充气速率，使得真空储气腔体1-7内的sf6气体和d2气体维持设定气压和配比。
40.在本发明的一个具体示例中，真空储气腔体1-7的储气气压为1.2atm，sf6：d2＝8:1。
41.相比于配置好的sf6气体和d2气体(二者均为气态)，采用分开存储的sf6气体和d2气体，可显著提升工作气体的储气量，延长稳定工作时间。
42.真空储气腔体1-7为矩形不锈钢腔体，其储气量是激光放电模块3的放电体积的数
十倍，真空储气腔体1-7内存储设定配比的sf6气体和d2气体。真空储气腔体压力传感器1-8实时测量真空储气腔体1-7内的混合气压，数据实时发送给中央处理模块5，当真空储气腔体1-7内的混合气压低于设定气压时，中央处理模块5同时打开sf6充气流量计1-4和d2充气流量计1-5对真空储气腔体1-7进行充气，sf6充气流量计1-4和d2充气流量计1-5设定的充气流量比例为8:1，保证真空储气腔体1-7内的sf6气体和d2气体的配比始终保持8:1。
43.智能快速充气模块2包括混合气管道2-1和充气电磁阀2-2，真空储气腔体1-7、充气电磁阀2-2、激光放电模块3依次通过混合气管道2-1连接，混合气管道2-1为不锈钢波纹管，用于将真空储气腔体1-7内混合的d2气体与sf6气体输送至激光放电模块3，充气电磁阀2-2与中央控制模块5连接，用于在中央控制模块5的控制下控制混合气管道2-1的通断。
44.充气电磁阀2-2选用响应时间＜2ms的快速电磁阀，充气电磁阀2-2的数量由激光装置的工作频率和激光放电模块3的放电体积确定。激光放电模块3从真空充气至工作气压10kpa的时间由下式计算得到：
45.t＝0.0005v/(n
×
a)
46.式中，v为激光放电模块3内的放电体积，a为单个充气电磁阀2-2的管径面积，n为充气电磁阀2-2的数量。在本实施例中，放电体积v约为0.0032m3，单个充气电磁阀2-2的管径面积a＝0.0003m2，2个充气电磁阀2-2的单次充气时间约为2.6ms。为了加快充气时间，可以采用更多充气电磁阀2-2并联的方案。
47.如图2和图3共同所示，激光放电模块3包括进气管口3-1、放电腔体3-2、放电电极3-3、排气管口3-4、放电腔体压力传感器3-5、谐振腔反射镜3-6和谐振腔输出镜3-7。
48.进气管口3-1和排气管口3-4分别与放电腔体3-2的内部相连通，进气管口3-1与混合气管道2-1连接，真空储气腔体内混合的d2气体与sf6气体从进气管口3-1进入放电腔体3-2内，放电电极3-3镶嵌放电腔体3-2的内壁上，用于对混合后的d2气体与sf6气体进行放电，产生激光增益，同时产生工作尾气，工作尾气从排气管口3-4排出；放电腔体3-2位于谐振腔反射镜3-6与谐振腔输出镜3-7之间，谐振腔反射镜3-6和谐振腔输出镜3-7构成光学谐振腔，在光学谐振腔的反馈下，形成激光3-8，激光3-8在放电腔体3-2内振荡输出。
49.放电腔体压力传感器3-5与中央处理模块5连接，用于实时测量放电腔体3-2内的气压，数据实时发送至中央处理模块5，中央处理模块5根据放电腔体3-2内的气压调节充气电磁阀2-2的充气速率。从而可知，放电腔体压力传感器3-5与充气电磁阀2-2组成闭环压力控制系统，保证每次放电之前放电腔体3-2内工作气体的压力为10kpa。
50.在本发明的一个示例中，谐振腔反射镜3-6为凹面镀金铜镜，其曲率半径大于10m，凹面镀金铜镜为高功率激光器常规的谐振腔原件，铜镜具有良好的散热性，谐振腔输出镜3-7为znse半透半返平面镜，znse的热吸收系数低。
51.尾气处理与排放模块4包括排气电磁阀4-1、连接管道4-2、真空排放腔体4-3、真空泵4-4、真空排放腔体压力传感器4-5和尾气处理池。
52.排气管口3-4、排气电磁阀4-1、真空排放腔体4-3之间依次通过连接管道4-2连接，连接管道4-2为不锈钢波纹管，用于将放电腔体3-2排放的工作尾气输送至真空排放腔体4-3，真空排放腔体4-3采用不锈钢密封腔体，时刻处于真空状态，用于临时存储放电腔体3-2排放的工作尾气，真空排放腔体4-3的腔体体积与真空储气腔体1-7的体积相同，真空排放腔体4-3体积为放电腔体3-2体积的50倍，增大真空排放腔体4-3的体积有助于快速排空放
电腔体3-2内的工作尾气，提高放电腔体3-2内工作尾气的排放速度。
53.排气电磁阀4-1与中央控制模块5连接，用于在中央控制模块5的控制下控制连接管道4-2的通断。排气电磁阀4-1也选用响应时间＜2ms的快速电磁阀，实现连接管道4-2的快速通断。
54.真空泵4-4选用大流量，通过真空泵4-4的高速运转，维持真空排放腔体4-3内一定的真空度。通过真空泵4-4还可将真空排放腔体4-3内临时存储的工作尾气抽出送至尾气处理池进行有害成分吸附。
55.尾气处理池包括尾气处理箱4-6，尾气处理箱4-6内充满分子筛吸附剂，分子筛吸附剂用于吸附工作尾气中的有害成分(例如低氟化硫等有害气体)；在尾气处理箱4-6上开设有尾气排放出口4-7，净化后的工作尾气经尾气排放出口4-7排放到大气中。
56.真空排放腔体压力传感器4-5与中央处理模块5连接，用于实时测量真空排放腔体4-3内的气压，数据发送至中央处理模块5，中央处理模块5根据真空排放腔体4-3内的气压，控制排气电磁阀4-1的排气速率。
57.在放电腔体3-2放电且激光3-8完成振荡输出后，打开排气电磁阀4-1，放电腔体3-2在5ms内压力降至200pa，该残余气压不影响非链式脉冲df激光装置的正常工作。
58.上述内容详细说明了本发明实施例提供的小型化非链式脉冲df/hf激光装置，本发明实施例还提供一种小型化非链式脉冲df/hf激光装置的激发方法。
59.本发明实施例提供的小型化非链式脉冲df/hf激光装置的激发方法，在单次激发过程中，包括如下步骤：
60.s1、通过中央控制模块的控制，驱使智能快速充气模块将储气模块存储的工作气体填充到激光放电块。
61.具体地，步骤s1包括如下步骤：
62.s110、打开sf6充气流量计和d2充气流量计，向真空储气腔体内充入sf6气体和d2气体。
63.将sf6充气流量计的流量设定为800slm，d2充气流量计的流量设定为100slm，并打开sf6充气流量计和d2充气流量计，为真空储气腔体充入新鲜的工作气体。sf6充气流量计和d2充气流量计与真空储气腔体压力传感器组成闭环控制系统，维持真空储气腔体的气压为1.2atm。
64.s120、打开充气电磁阀，真空储气腔体向放电腔体内充入混合的sf6气体和d2气体。
65.在放电腔体压力传感器的监测下，将放电腔体的气压充至10kpa，充气时间控制在3ms内，充气电磁阀响应时间小于2ms，单次充气时间小于7ms。
66.s2、通过中央控制模块的控制，驱使激光放电模块对工作气体进行放电产生激光增益，形成激光输出。
67.具体地，步骤s2包括如下步骤：
68.s210、关闭充气电磁阀，放电电极对放电腔体内混合的sf6气体和d2气体进行放电，产生激光增益，在光学谐振腔的反馈下，形成激光振荡输出。
69.放电电极的高压脉冲放电时间约100ns，非链式脉冲df/hf激光装置由于增益开关效应形成激光振荡输出时间约200ns，放电电极的延迟时间约2-5μs。因此，该放电与激光输出过程耗时小于1ms。
70.s3、通过中央控制模块的控制，驱使尾气处理与排放模块对激光放电模块放电时产生的工作尾气进行有害成分吸附处理，并将处理后的工作尾气排放到大气中。
71.具体地，步骤s3包括如下步骤：
72.s310、在形成激光振荡输出后，打开排气电磁阀，将放电腔体内放电产生的工作尾气排到真空排放腔体。
73.在打开排气电磁阀后，放电腔体内的工作尾气迅速排空，排空时间持续7ms后关闭排气电磁阀，真空泵一直工作，维持真空排放腔体内的真空度。
74.s320、通过真空泵将真空排放腔体内临时存储的工作尾气抽出送至尾气处理池进行有害成分吸附，再排放到大气中。
75.在本发明的一个优选实施例中，在步骤s1之前，还包括如下步骤：
76.步骤s0：关闭sf6充气流量计和d2充气流量计，同时打开真空泵、充气电磁阀和排气电磁阀，为小型化非链式脉冲df/hf激光装置提供初始真空状态，当放电腔体压力传感器的测量压力低于1pa时，关闭充气电磁阀和排气电磁阀。
77.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
78.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
79.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。