專利名稱：脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種采用預(yù)電離技術(shù)的擴(kuò)散冷卻型直流
放電板條二氧化碳激光器。
背景技術(shù)：
(A激光器在工業(yè)加工和軍事上有重要的應(yīng)用。目前正是(A激光器應(yīng)用的飛速發(fā) 展的時(shí)期。例如，在工業(yè)加工方面中小功率激光器的每年的需求達(dá)數(shù)萬臺；千瓦級以上的激 光器在激光切割、焊接等應(yīng)用中有很大的需求?，F(xiàn)有的激光器有多種類型，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。 板條C02激光器利用大面積擴(kuò)散冷卻原理，其輸出功率具有"面積放大"的優(yōu)點(diǎn)。和通常的 直管縱向放電擴(kuò)散冷卻(A激光器相比較，輸出功率可大幅度地提高。另一方面，與快軸流 型C02激光器及高重復(fù)頻率TEA C02激光器相比，板條激光器采用的是擴(kuò)散冷卻方式，省去 了笨重的風(fēng)機(jī)循環(huán)冷卻系統(tǒng)，這有利于激光器的小型化，在實(shí)際使用中有很大的優(yōu)越性和 必要性。射頻激勵(lì)的擴(kuò)散冷卻板條(A激光器已在中小應(yīng)用領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，并且 有進(jìn)一步向大功率推廣的趨勢。其原因是射頻放電激勵(lì)具有正阻抗特性，放電均勻，不易起 弧。而直流激勵(lì)具有負(fù)阻抗特性，在大面積電極放電中放電不能擴(kuò)散到整個(gè)放電區(qū)，非常容 易收縮起弧。所以射頻技術(shù)使面積放大概念得以實(shí)現(xiàn)。雖然在當(dāng)前擴(kuò)散冷卻板條(A激光 器的發(fā)展中，射頻激勵(lì)技術(shù)占了主導(dǎo)地位，但射頻激勵(lì)源本身也存在一定的缺點(diǎn)大功率射 頻電源體積大，進(jìn)一步的發(fā)展有技術(shù)上的困難，且需要有效的生物屏蔽，此外脈沖運(yùn)作方式 有一定的困難，難以產(chǎn)生高功率脈沖激光。這些使激光器的運(yùn)行成本和復(fù)雜程度增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種脈沖預(yù)電離的直流放電板條二氧化碳激光器，克服了板 條直流放電必然過渡到弧光的問題，采用非自持放電的方式，利用脈沖預(yù)電離放電引發(fā)和 控制主放電，達(dá)到均勻板條的效果。該脈沖預(yù)電離的直流放電板條二氧化碳激光器，采用直 流放電是因?yàn)橹绷麟娫粗谱魅菀?，成本低廉，大功率直流放電無輻射產(chǎn)生；另外直流放電可 以通過電容瞬間放電釋放大的脈沖能量，從而獲得大功率脈沖輸出。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 —種脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，包括兩金屬平板側(cè)壁，絕緣層，主 放電陽極、陰極，激光諧振腔，主放電直流電源；放電區(qū)由上、下金屬平板側(cè)壁和左、右長條 形金屬主放電陽極和陰極封閉而成，放電區(qū)內(nèi)軸向設(shè)置至少一個(gè)激光諧振腔；兩金屬平板 側(cè)壁內(nèi)部設(shè)有冷卻槽，冷卻槽內(nèi)有冷卻液；兩金屬平板側(cè)壁內(nèi)表面各緊密地固接有絕緣層； 兩金屬平板側(cè)壁和主放電陽極電相連并接地；其還包括預(yù)電離脈沖電源，兩隔離二極管，預(yù) 電離脈沖電源輸出端與主放電陰極、兩隔離二極管輸入端電相連，主放電直流電源輸入端 與一隔離二極管輸出端電相連，主放電直流電源輸出端、預(yù)電離脈沖電源輸入端和另一隔
離二極管輸出端接地。 所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其所述激光器放電區(qū)，主放電
3陽極和陰極之間的距離W為寬度，兩金屬平板側(cè)壁之間的間隙h為高度，寬高比W/h在2 30之間。 所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其所述絕緣層材料為搪瓷或氧 化鋁。 所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其所述激光諧振腔，是非穩(wěn)腔 或穩(wěn)定腔。 所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其所述預(yù)電離脈沖電源，為閘 流管脈沖電源、脈沖開關(guān)電源、晶閘管脈沖電源其中任一種。 所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其所述主放電直流電源，包含 一個(gè)單電容。 所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其所述主放電直流電源，包含 一個(gè)脈沖形成網(wǎng)絡(luò)放電電路。 所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其所述隔離二極管，為快速高 壓隔離二級管。 所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其所述絕緣層，厚度為 200iim 800iim之間。 所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其連續(xù)輸出激光，激光脈沖重 復(fù)頻率從單脈沖至100kHz。 本發(fā)明脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器采用擴(kuò)散冷卻和非自持放電方 式，具有輸出功率大，小型化，高功率的優(yōu)點(diǎn)，且能同時(shí)滿足應(yīng)用中對高脈沖峰值功率和高 平均功率的需要。不但適用于二氧化碳激光器而且還適用于一氧化碳等多種氣體激光器， 在激光加工，激光探測，激光醫(yī)療，激光雷達(dá)，光化學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器示意圖；
圖2是本發(fā)明的第一實(shí)施例和第二實(shí)施例示意圖；
圖3是本發(fā)明的第三實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征及結(jié)構(gòu)，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)描述。
請參閱圖l，為本發(fā)明的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，包括金屬平板 側(cè)壁1和2，絕緣層3和4，主放電陽極5，主放電陰極6，激光諧振腔7，主放電直流電源8， 預(yù)電離脈沖電源9，隔離二極管10和11。放電區(qū)由金屬平板側(cè)壁l和2和左、右兩條長條 金屬電極5和6封閉而成。金屬平板側(cè)壁內(nèi)部加工有冷卻槽，通以冷卻液，表面緊密地附著 有高熱導(dǎo)率的絕緣層3和4，絕緣層材料為搪瓷或氧化鋁。放電區(qū)的寬度即主放電陽極5和 陰極6之間的距離W與平板側(cè)壁1和2之間的間隙h之比W/h定義為激光器放電區(qū)的"寬 高比"。寬高比可以在2到30之間改變。在直流脈沖放電或連續(xù)放電中產(chǎn)生的熱量可以迅 速擴(kuò)散到管壁，通過高熱導(dǎo)率的絕緣層傳播到金屬平板側(cè)壁1和2，再由冷卻液帶走，是為 "擴(kuò)散冷卻"方式。由于絕緣層很薄( 一般為200 ii m-800 ii m)，并且緊密附著在平板側(cè)壁的內(nèi)表面，所以可使激光器得到充分的冷卻。激光諧振腔7可以是非穩(wěn)腔或穩(wěn)定腔。
兩隔離二極管10、 11為快速高壓隔離二級管。 當(dāng)直流電壓加在兩條窄長的主放電電極5和6之間時(shí)，在沒有預(yù)電離的情況下在 放電區(qū)是不可能形成均勻的輝光放電的。當(dāng)電壓一旦超過擊穿電壓閾值時(shí)，在二者之間立 即產(chǎn)生電弧?；」夥烹姷奈恢檬请S機(jī)的，在電極的長度上不停地移動(dòng)，有時(shí)停留在某一點(diǎn)。 當(dāng)電壓低于擊穿閾值時(shí)，在放電區(qū)中沒有放電。為了實(shí)現(xiàn)在直流放電條件下均勻的輝光放 電，本發(fā)明采用脈沖預(yù)電離的非自持放電方式。將主放電直流電源8的電壓設(shè)為低于擊穿 電壓閾值。開啟預(yù)電離脈沖電源9后，立刻得到非常均勻的板條狀放電。
預(yù)電離脈沖電源9產(chǎn)生負(fù)高壓窄脈沖，通過電源內(nèi)部輸出端的電容器C加到主放 電陰極6上，首先在整個(gè)長條主放電陰極6附近產(chǎn)生均勻的電離，逐漸擴(kuò)展到主放電陽極5 在整個(gè)放電區(qū)產(chǎn)生均勻的初始預(yù)電離(此過程非常迅速)，繼而在主放電陽極5和陰極6之 間產(chǎn)生均勻的脈沖放電，成為更強(qiáng)的二次預(yù)電離。在預(yù)電離的作用下，原先位于自持擊穿閾 值之下的主放電直流電源8的主放電電壓達(dá)到了擊穿閾值，由主放電直流電源8供電的主 放電發(fā)生了。以上過程是脈沖預(yù)電離引發(fā)和控制的非自持直流放電。每一個(gè)預(yù)電離脈沖引 發(fā)一個(gè)主放電脈沖產(chǎn)生一個(gè)激光脈沖。脈沖重復(fù)率可從單脈沖至100kHz，取決于激光氣體 的氣壓和放電電源的參量。當(dāng)重復(fù)頻率足夠高時(shí)，由于二氧化碳激光能級的馳豫時(shí)間長于 脈沖間隔，激光輸出變成了連續(xù)的。在非自持放電條件下，主放電E/P值(電場與氣壓的比 值)較低，有利于氣體分子激發(fā)到高能態(tài)，從而提高了激光器的能量轉(zhuǎn)換效率。
圖2是本發(fā)明的第一實(shí)施例，其中主放電直流電源8為脈沖形成網(wǎng)絡(luò)，預(yù)電離脈沖 電源9采用閘流管脈沖發(fā)生器。 本發(fā)明的第二實(shí)施例也參看圖2，其中預(yù)電離脈沖電源9采用窄脈沖開關(guān)電源或 晶閘管脈沖電源。 圖3為本發(fā)明的第三實(shí)施例，其中主放電直流電源8電路為電容脈沖放電電路。電 容脈沖放電是脈沖形成網(wǎng)絡(luò)放電的特殊情形。
權(quán)利要求
一種脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，包括兩金屬平板側(cè)壁，絕緣層，主放電陽極、陰極，激光諧振腔，主放電直流電源；放電區(qū)由上、下金屬平板側(cè)壁和左、右長條形金屬主放電陽極和陰極封閉而成，放電區(qū)內(nèi)軸向設(shè)置至少一個(gè)激光諧振腔；兩金屬平板側(cè)壁內(nèi)部設(shè)有冷卻槽，冷卻槽內(nèi)有冷卻液；兩金屬平板側(cè)壁內(nèi)表面各緊密地涂覆有絕緣層；兩金屬平板側(cè)壁和主放電陽極電相連并接地；其特征在于，還包括預(yù)電離脈沖電源，兩隔離二極管，預(yù)電離脈沖電源輸出端與主放電陰極、兩隔離二極管輸入端電相連，主放電直流電源輸入端與一隔離二極管輸出端電相連，主放電直流電源輸出端、預(yù)電離脈沖電源輸入端和另一隔離二極管輸出端接地。
2. 如權(quán)利要求1所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其特征在于，所述 激光器放電區(qū)，主放電陽極和陰極之間的距離W為寬度，兩金屬平板側(cè)壁之間的間隙h為高 度，寬高比W/h在2 30之間。
3. 如權(quán)利要求1所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其特征在于，所述 絕緣層材料為搪瓷或氧化鋁。
4. 如權(quán)利要求1所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其特征在于，所述 激光諧振腔，是非穩(wěn)腔或穩(wěn)定腔。
5. 如權(quán)利要求1所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其特征在于，所述 預(yù)電離脈沖電源，為閘流管脈沖電源、脈沖開關(guān)電源、晶閘管脈沖電源其中任一種。
6. 如權(quán)利要求1所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其特征在于，所述 主放電直流電源，包含一個(gè)單電容。
7. 如權(quán)利要求1所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其特征在于，所述 主放電直流電源，包含一個(gè)脈沖形成網(wǎng)絡(luò)放電電路。
8. 如權(quán)利要求1所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其特征在于，所述 隔離二極管，為快速高壓隔離二級管。
9. 如權(quán)利要求1所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其特征在于，所述 絕緣層，厚度為200iim 800iim之間。
10. 如權(quán)利要求1所述的脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，其特征在于，連續(xù) 輸出激光，激光脈沖重復(fù)頻率從單脈沖至100kHz。
全文摘要
一種脈沖預(yù)電離直流放電板條二氧化碳激光器，涉及激光器技術(shù)，該激光放電區(qū)由上、下金屬平板側(cè)壁和左、右長條形金屬主放電陽極和陰極封閉而成，放電區(qū)內(nèi)軸向設(shè)置至少一個(gè)激光諧振腔；兩金屬平板側(cè)壁設(shè)有冷卻槽，冷卻槽內(nèi)有冷卻液；兩金屬平板側(cè)壁內(nèi)表面各緊密地涂覆絕緣層；兩金屬平板側(cè)壁和主放電陽極電相連并接地；其還包括預(yù)電離脈沖電源，兩快速高壓隔離二極管，預(yù)電離脈沖電源輸出端與主放電陰極、兩隔離二極管輸入端電相連，主放電直流電源輸入端與一隔離二極管輸出端電相連，主放電直流電源輸出端、預(yù)電離脈沖電源輸入端和另一隔離二極管輸出端接地。本發(fā)明放電穩(wěn)定性好，能以高重復(fù)率脈沖或連續(xù)方式運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出功率大、小型化、高效率。
文檔編號H01S3/03GK101741001SQ200810226679
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月19日
發(fā)明者萬重怡, 于延寧, 王東蕾 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所