专利名称：输出巨脉冲激光的横流二氧化碳激光器的制作方法
技术领域：
本发明是一种能够获得大能量、宽脉宽二氧化碳激光束输出的横流二氧化碳激光器。
实现较大能量、宽脉冲宽度的二氧化碳激光输出有着十分重要的意义。这种激光器在许多场合应用广泛，诸如海洋水声探测、军事和高压变电站引雷、飞机和汽车去漆等。连续激光器、重复频率高和较小单脉冲能量输出的二氧化碳激光器难以胜任此类工作。
已有技术中，美国阿符科研究实验室ARL(Avco Research Laboratory)在原HPPL-10和HPPL-200连续二氧化碳激光器的基础上发展的HPPL-300脉冲激光器(参见O.L.Zappa，High Power Repetitively Pulsed Industrial CO2Laser.SPIE，Vol.1042，CO2Laser and Applications，17，1989.)，采用电子束控制预电离、脉冲主电源激励的结构来达到大能量单脉冲输出，其单脉冲能量100～1400J，脉宽50微秒，重复频率1～10Hz。这种结构相当复杂，且造价昂贵。另一方面，该激光器采用的0.5～1个大气压，实际为TEA二氧化碳激光器(横向激励大气压二氧化碳激光器)，为达到稳定的大面积气体辉光放电和稳定激光输出，其脉冲宽度和气压成反比，为避免弧光击穿，其输出脉宽一般在微秒和数十微秒量级，难以满足海洋水声探测等所要求的亚毫秒量级脉宽的单脉冲能量达几十乃至上百焦耳的巨脉冲激光束的输出。
本发明的目的为克服已有技术的不足，提供一种大能量和宽脉冲宽度的二氧化碳激光束输出的横流二氧化碳激光器。能够有单脉冲二氧化碳激光束输出的能量达数十焦耳或更大，脉宽在亚毫秒范围内可调，而且调制深度接近100％的重复脉冲的二氧化碳激光输出；并且结构紧凑，操作比较容易。
本发明输出巨脉冲激光的横流二氧化碳激光器的总体结构如图1、图2所示。包括外壳1，本发明的外壳1是由上盖101，左中间体102，下支体103和右中间体104相互之间由真空橡胶密封而构成的。如图1所示。置于外壳1的右中间体104内有放电腔6、光学谐振腔8，置于外壳1的左中间体102内有驱动风机2，置于外壳1的下支体103内有热交换器4。放电腔6内有流动的气体激光工作物质9，其放电方向u，气体流动方向v以及光学谐振腔8的光轴O三方向成为正交的X，Y，Z方向。如图3所示。
所说的置于外壳1右中间体104内的放电腔6，在其中的激光工作物质9中，在相互对应的位置上有两个主放电阴极管13，有两排排成一列的相互绝缘的嵌于耐高温绝缘材料构成的绝缘板16上的阳极条15，与阳极条15一一相对应的有两排排成一列的脉冲预电离针12。两块绝缘板16是在没有嵌阳极条15的一面相对地放置着，在两块绝缘板16之间有导流板5隔开，构成双放电区601、602。如图3所示。
在外壳1内，有与双放电区(也称为双放电通道)相对应的由两个并列分别流经双放电区601、602的气体流动通道301、302构成的双气流通道3。如图1所示。
所说的置于外壳1右中间体104内的光学谐振腔8，它与双放电区601、602相对应，由拉杆7固定两端光桥构成∏形折叠式的结构。
所说的放电腔6内的两排脉冲预电离针12上，连接有预电离脉冲群信号源10。如图3所示。
本发明所说的预电离脉冲群信号源10，它含有连接高频信号源1001和脉冲调节信号源1006的与非门1002，与非门1002的输出经过整形放大器1003和小闸流管1004连接到大闸流管1005的触发极C上，大闸流管1005的输出通过隔直电容器11连接到脉冲预电离针12上。其中连接到与非门1002的脉冲调节信号源1006，它含有相互串联的调节高频子脉冲个数N的由电阻RW1和电容器C5构成的第一RC回路10061和调节脉冲群信号的重复频率fb的由电阻RW2和电容器C6构成的第二RC回路10062，如图4所示。
所说的驱动风机2是由置于外壳1左中间体102内的两台并联运行的高速风机201、202所构成。通常情况下，两台高速风机201、202的结构和性能相同。如取两台中频电源为400Hz的8000转/分(r/min)的高速轴流风机并联运行，为气体激光工作物质9的快速流动提供驱动力。如图2所示。
所说的热交换器4是置于外壳1下支体103内，呈板翅状的结构。如图1所示。
所说的外壳1的左中间体和右中间体104的两壁板的内形呈流线形，起到导流板的作用。外壳1的上盖101与左中间体102和右中间体104构成呈马蹄形的外形。整体是立式的结构。如图1所示。
本发明的核心是在非自持辉光放电条件下，利用气体辉光放电的着火电压与维持电压之间的差异，采用预电离脉冲群序列作为开关来控制主放电。采用预电离脉冲控制放电区等离子体的电子密度，从而控制放电区的E/N(电场强度与分子数密度之比)，使激光工作物质9更有效地被激发。预电离输入的脉冲群是一组脉冲，在一个脉冲群中，后继脉冲进一步提高放电的电导率，使电子密度增加，直至饱和。因此脉冲群的重复频率fb和所包含的高频子脉冲个数N影响激光工作物质9的增益，从而影响脉冲电功率注入乃至脉冲激光束输出。调节脉冲群的周期(即fb)与占空比(即N)，可实现大能量、脉宽在亚毫秒到毫秒可调的CO2激光输出。
要产生脉冲群，须对预电离进行调制，图4为预电离脉冲群信号源10的结构示意图，如上所述的结构，连接到与非门1002的高频信号源1001产生可调的5kHz～20kHz预电离脉冲高频信号，脉冲宽度为50～500毫微秒可调，脉冲峰值电压10～20kV可调；输入与非门1002内，脉冲调节信号源1006也称为预电离脉冲开关信号源，产生的预电离脉冲开关信号频率小于200Hz。输进与非门1002后，由高频信号源1001输入的5kHz～20kHz可调的预电离脉冲高频信号在与非门1002处被预电离脉冲开关信号调制，调制后的预电离脉冲群信号的重复频率fb须在200Hz以下(fb＜200Hz)，以保证输出脉冲激光有足够的单脉冲能量和百分之百的调制深度，而单脉冲激光输出宽度则由每个脉冲群所含的脉冲预电离高频子脉冲的个数N来决定。它可以通过改变预电离脉冲开关信号的周期与占空比来得到周期与占空比可调的脉冲群信号，以此实现能量与脉宽可调的激光输出；脉冲群信号进入整形放大器1003整形放大后，再经小闸流管1004触发大闸流管1005工作，使脉冲群信号输到脉冲预电离针12上，从而控制主放电。
预电离脉冲群信号源10所产生的脉冲群信号的波形如图5所示，其中图5-1为高频信号源1001输出的5kHz预电离高频脉冲信号，图5-2为脉冲调节信号源1006输出的预电离脉冲开关信号，图5-3为与非门1002的输出经过整形放大器1003后的预电离脉冲群信号。
所说的置于外壳1右中间体104内的双放电腔6内的激光工作物质9是二氧化碳(CO2)，氮气(N2)和氦气(He)的混合气体。当上述的预电离高频脉冲信号的频率为5kHz，脉冲群重复频率fb为100Hz，每个脉冲群中的高频子脉冲数N为25，占空比为1∶1，即对预电离高频脉冲开25个，关25个，这样调制的结果在高气压情况下将引起主放电不稳定，因此需调节混合气体总气压、气体比份、气体流速等参数使主放电稳定。因为本发明激光工作物质9为二氧化碳、氮气、氦气的混合气体，当总的气体气压为40～45毫米汞柱，气体比例为CO2∶N2∶H＝1∶5∶14时才能获得稳定均匀的辉光放电。这种气压及比份相对已有技术中的5kW连续横流CO2激光器总的充气气压60毫米汞柱、气体比例CO2∶N2∶H＝1∶8∶11，总气压略有下降，而He气比例略有提高。这样主要是低气压和He气比例增加更有利于实现均匀的辉光放电；He气比例增加致使混合气体比重下降，使放电区气体流速也略有下降，这样，CO2能级驰豫时间减小，有利于调制度达100％，从而实现巨脉冲激光的输出。所以，本发明中，混合气体中He气与CO2的比例高于14比1。
本发明的优点在于本发明的横流二氧化碳激光器含有双放电区601和602的放电腔6，两个气体流动通道301和302的双气流通道3，呈∏形折叠式结构的光学谐振腔8以及能够产生脉冲群信号的预电离脉冲群信号源10，加之适宜的激光工作物质9的总气体气压和混合气体的组分，获得了稳定均匀的辉光放电，从而获得了大能量巨脉冲二氧化碳激光束输出，调制深度接近100％。与已有技术中采用的电子束预电离，主电源为脉冲电源的横向激励大气压(TEA)二氧化碳激光器相比，已有技术的二氧化碳激光器的脉冲输出仅在微秒或数十微秒量级，而本发明的脉宽可在亚毫秒量级可调，并且本发明的激光器结构紧凑，占地面积小，电源造价低廉。
图1为本发明的横流二氧化碳激光器的总体结构正视示意图；图2为本发明的横流二氧化碳激光器的总体结构左视示意图；图3为放电腔6内双放电区结构示意图；图4为预电离脉冲群信号源10的结构示意图；图5为预电离脉冲群信号源10中脉冲群信号形成过程的波形图；其中图5-1为高频信号源1001输出的波形，图5-2为脉冲调节信号源1006输出的波形，图5-3为整形放大器1003输出的波形。
图6为预电离脉冲群、主放电及激光输出的瞬时波形；其中图6-1为激光输出的瞬时波形，图6-2为放电腔6内主放电电流的瞬时波形，图6-3为放电腔6内预电离脉冲群信号的瞬时波形，实施例采用如图1、图2和图3所示的结构。阳极条15沿气流方向v长度为70mm，阳极条15宽15mm，阳极条15之间相互间隔5mm。阳极条15嵌于耐高温绝缘材料构成的绝缘板16上，且呈一平面。主放电阴极管13为φ10水冷铜管。气流方向v、放电方向u和光轴方向O正交。本发明的横流二氧化碳激光器有两个放电区，每个放电区绝缘板16上嵌有55个阳极条15，放电区601与602的有效放电长度均为1.1米。光学谐振腔腔长为3.2米，腔一端为镀金的铜全反射镜，另一端为硒化锌(ZnSe)或砷化镓(GaAs)镜，透过率为40％，安装在4根拉杆7固定的光桥上，如图中1所示。放电区的气体流速为50m/s左右，流速随混合气体压力增加略有增加，总气体流量约5m3/s。热交换器为板翅形状，这种热交换器具有体积小，热交换面积大，效率高等优点。该激光器呈立式，结构紧凑，占地面积小，仅为1.35m×1.2m×2.5m(高)。激光器的外壳1由不锈钢组成，外壳1各部分采用“O”形硅橡胶条密封，具有极好的密封性能。
激光工作物质9的充气气压为45毫米汞柱(合6.0kPa)，充入气体比例为CO2∶N2∶He＝1∶5∶14。
预电离脉冲群信号源10中，与非门1002连接的脉冲调制信号源1006中，构成调节高频子脉冲个数N的第一RC回路10061中，RW1＜5kΩ，C5＝0.22μF；构成调节脉冲群信号的重复频率fb的第二RC回路10062中，RW2＜2.5kΩ，C5＝0.22μF。当高频信号源1001输出高频信号如图5-1所示的波形，进入与非门1002中，与非门1002同时接收到脉冲调制信号源1006发射的调制信号如图5-2所示，则由与非门1002输出的信号即是被调制的高频信号，由与非门1002输出的信号经整形放大器1003后就清楚地看到脉冲群信号，如图5-3所示的波形。所以预电离脉冲群信号源10输出的脉冲预电离高频重复频率为5kHz，脉冲宽度为100毫微秒。脉冲群开关频率为100Hz，采用开25个高频脉冲，关25个高频脉冲的与非门开关，则产生巨脉冲激光输出频率为5000÷(25+25)＝100Hz。
当注入脉冲预电离平均功率在250W，如图6-3所示，主放电电压在1.8kV，主放电电流为15A时，如图6-2所示，获得平均功率3.5kW的巨脉冲CO2激光输出。如图6-1所示。
权利要求
1.一种输出巨脉冲激光的横流二氧化碳激光器，包括<1>在外壳(1)内置有放电腔(6)，光学谐振腔(8)，驱动风机(2)以及热交换器(4)，放电腔(6)内有流动的气体激光工作物质(9)，它的放电方向(u)，气体流动方向(v)以及光学谐振腔(8)的光轴(O)三方向成为正交的X，Y，Z方向；<2>放电腔(6)内，置于激光工作物质(9)中有主放电阴极管(13)，排成一列相互绝缘的嵌于由耐高温绝缘材料构成的绝缘板(16)上的阳极条(15)，与阳极条(15)一一相对应的置于气体流动方向(v)上游的排成一列的脉冲预电离针(12)；其特征在于<3>所说的外壳(1)是由上盖(101)，左中间体(102)，下支体(103)和右中间体(104)相互之间由真空橡胶密封而构成；<4>所说的放电腔(6)是置于外壳(1)右中间体(104)内，在放电腔(6)内的激光工作物质(9)中，相互对应的有两个主放电阴极管(13)，有两排相互绝缘的嵌于耐高温绝缘材料构成的绝缘板(16)上的阳极条(15)，与阳极条(15)一一相对应的有两排脉冲预电离针(12)，两块绝缘板(16)是在没有嵌阳极条(15)的一面相对地放置着，在两块绝缘板(16)之间有导流板(5)隔开，构成双放电区(601)(602)；<5>在外壳(1)内，有与双放电区(601)(602)相对应的由两个并列分别流经双放电区(601)(602)的气体流动通道(301)(302)构成的双气流通道(3)；<6>所说的光学谐振腔(8)是置于外壳(1)的右中间体(104)内的，与双放电区(601)(602)相对应，由拉杆(7)固定两端光桥构成∏形折叠式的结构；<7>在两排脉冲预电离针(12)上，连接有预电离脉冲群信号源(10)；<8>置于外壳(1)右中间体(104)内的放电腔(6)内的激光工作物质(9)是二氧化碳、氮气和氦气的混合气体，其中氦气与二氧化碳的比例高于14比1。
2.根据权利要求1所述的输出巨脉冲激光的横流二氧化碳激光器，其特征在于所说的接于脉冲预电离针(12)上的预电离脉冲群信号源(10)，含有连接高频信号源(1001)和脉冲调节信号源(1006)的与非门(1002)，与非门(1002)的输出经过整形放大器(1003)和小闸流管(1004)连接到大闸流管(1005)的触发极(C)上，大闸流管(1005)的输出通过隔直电容器(11)连接到脉冲预电离针(12)上。
3.根据权利要求1或2所述的输出巨脉冲激光的横流二氧化碳激光器，其特征在于所说的预电离脉冲群信号源(10)内的连接到与非门(1002)的脉冲调节信号源(1006)，它含有相互串联的调节高频子脉冲个数N的由电阻RW1和电容器C5构成的第一RC回路(10061)和调节脉冲群信号的重复频率fb的由电阻RW2和电容器C6构成的第二RC回路(10062)。
4.根据权利要求1所述的输出巨脉冲激光的横流二氧化碳激光器，其特征在于所说的驱动风机(2)是由置于外壳(1)左中间体(102)内的两台并联运行的高速风机(201)(202)所构成。
5.根据权利要求1所述的输出巨脉冲激光的横流二氧化碳激光器，其特征在于所说的热交换器(4)是置于外壳(1)下支体(103)内，呈板翅状的结构。
全文摘要
一种输出巨脉冲激光的横流二氧化碳激光器,包括有上盖、左中间体、右中间体及下支体密封构成的外壳。右中间体内置有双放电区的放电腔,∏形折叠式的光学谐振腔。有双气流通道。放电腔内充有较低气压和高比例氦气的二氧化碳混合气体。放电腔内两排脉冲预电离针上连接有能够调节脉冲群信号重复频率f
文档编号H01S3/00GK1256537SQ9912426
公开日2000年6月14日 申请日期1999年12月16日 优先权日1999年12月16日
发明者程兆谷, 李现勤 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所