本發(fā)明涉及于激光器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高壓大電流單脈沖放電開關(guān)及高能準(zhǔn)分子激光器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)階段，激光技術(shù)正在快速發(fā)展，激光產(chǎn)業(yè)也變得越來越重要，而氣體激光器具有輸出功率高、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，使得它保持著很大的激光器市場份額，特別是在激光加工和材料處理領(lǐng)域，高功率脈沖氣體激光器因?yàn)榉逯倒β矢?、與材料作用耦合效率高，使得它還是激光加工和材料處理的主要工具；具備輸出紫外波長的準(zhǔn)分子激光器，則是固體激光器所無法替代的品種。高功率脈沖氣體激光器，是能量光電子產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)，是激光加工和材料處理的主要工具。

高功率脈沖氣體激光器，特別是紫外器件，針對于加工和材料領(lǐng)域的應(yīng)用需求，主要向著大功率、窄脈寬、單色性、穩(wěn)定性方面發(fā)展；而更有廣泛性應(yīng)用需求的則主要是大功率技術(shù)方向，其他的三個方向相對比較針對于一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，不象大功率指標(biāo)那樣具有普遍性的需求；這種普遍性需求的原因很簡單，那就是需要激光能量提升加工效率和質(zhì)量，需要激光能量改變或改善結(jié)構(gòu)。

準(zhǔn)分子激光光子能量高，可以直接使分子或原子斷鍵；與材料作用的耦合系數(shù)高；可以聚焦到很小的焦斑等，準(zhǔn)分子激光具有的一系列獨(dú)特性能，使得這種激光器有著重要的應(yīng)用價值，是一種重要的科研和生產(chǎn)工具。但準(zhǔn)分子激光技術(shù)難度高、系統(tǒng)復(fù)雜，一方面是因?yàn)闇?zhǔn)分子基團(tuán)壽命短，難以實(shí)施有效率的激勵，導(dǎo)致電光效率低下、激光器功率較低；另一方面，準(zhǔn)分子激光需要較高的工作氣壓，這就導(dǎo)致正常放電激勵的困難；再有鹵素氣體不利于放電的特性、腐蝕性和毒性，也對激光器系統(tǒng)提出很高的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種高壓大電流單脈沖放電開關(guān)及高能準(zhǔn)分子激光器，解決上述準(zhǔn)分子激光不能穩(wěn)定實(shí)施高效率的放電激勵的技術(shù)問題。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：一種高壓大電流單脈沖放電開關(guān)，所述開關(guān)為密閉結(jié)構(gòu)，充有氣壓恒定的高壓氣體；

所述開關(guān)包括殼體、第一電極、第二電極、旋轉(zhuǎn)電極和旋轉(zhuǎn)軸；

所述旋轉(zhuǎn)軸貫通于所述殼體；

所述旋轉(zhuǎn)電極設(shè)置于所述旋轉(zhuǎn)軸上；

所述第一電極和第二電極位于所述旋轉(zhuǎn)電極兩側(cè)，并分別伸出所述殼體外；所述旋轉(zhuǎn)電極與所述第一電極之間為第一放電間隙；

所述旋轉(zhuǎn)電極與所述第二電極之間為第二放電間隙；

所述第一放電間隙和第二放電間隙兩側(cè)均為放電等離子體擴(kuò)散緩沖區(qū)；

所述殼體上設(shè)有氣口，所述氣口用于氣體的進(jìn)出。

優(yōu)選地所述第一電極、第二電極與所述旋轉(zhuǎn)電極的對應(yīng)面分別設(shè)有電極盤，所述電極盤為耐高溫金屬材料；所述旋轉(zhuǎn)軸為不銹鋼材料。

優(yōu)選地，所述殼體為絕緣筒，呈工字形。

優(yōu)選地，所述殼體內(nèi)壁敷設(shè)有陶瓷片。

優(yōu)選地，所述第一電極和第二電極呈圓柱結(jié)構(gòu)；所述旋轉(zhuǎn)電極呈圓柱或球體結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述殼體的中心軸線和所述旋轉(zhuǎn)電極中心軸線重合；所述第一電極、第二電極與旋轉(zhuǎn)電極對稱分布。

優(yōu)選地，當(dāng)所述第二電極連接高壓、所述第一電極接地以及所述旋轉(zhuǎn)電極連接高壓脈沖時，所述的高壓大電流單脈沖放電開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，所述高壓脈沖控制所述的高壓大電流單脈沖放電開關(guān)的通斷。

本發(fā)明還提供了一種單脈沖低頻次放電激勵高能準(zhǔn)分子激光器，包含本發(fā)明提供的任一項所述的高壓大電流單脈沖放電開關(guān)。

優(yōu)選地，還包括儲氣腔，所述儲氣腔上設(shè)有四個儲能放電腔，四個所述放電腔對稱布設(shè)于所述儲氣腔圓周，所述放電腔均由本發(fā)明提供的任一項所述的高壓大電流單脈沖放電開關(guān)控制導(dǎo)通。

優(yōu)選地，四個所述放電腔共用一個光路系統(tǒng)。

本發(fā)明的有益效果：

采用本發(fā)明所提供的一種高壓大電流單脈沖放電開關(guān)，所述高壓大電流單脈沖放電開關(guān)為密閉結(jié)構(gòu)，充有氣壓恒定高壓氣體，使得所述高壓大電流單脈沖放電開關(guān)可在一定電壓下工作；通過所述氣口將殼體內(nèi)氣體加以自動充放，循環(huán)，冷卻和過濾，使再次放電前放電區(qū)域的氣體具有良好的絕緣狀態(tài)；所述緩沖區(qū)給放電區(qū)高溫高壓氣體一個擴(kuò)散空間，有利于放電區(qū)的絕緣恢復(fù)和減少電極損失。當(dāng)所述第二電極連接高壓、所述第一電極接地以及所述旋轉(zhuǎn)電極連接高壓脈沖時，所述的高壓大電流單脈沖放電開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)；所述旋轉(zhuǎn)電極在施加高壓脈沖后，所述旋轉(zhuǎn)電極與第一電極之間的第一放電間隙被擊穿，擊穿之后，施加在第二電極上的高壓就有能力擊穿旋轉(zhuǎn)電極和第二電極之間的第二放電間隙，從而實(shí)現(xiàn)了第二電極到第一電極之間的擊穿過程；實(shí)現(xiàn)具有高工作電壓、快放電、高導(dǎo)通功率的高壓大電流單脈沖放電開關(guān)。利用所述高壓大電流單脈沖放電開關(guān)，可以獲得一種可以輸出高能量激光的激光器。

另外，采用四個放電腔同步激勵方式，解決放電區(qū)域處于高電壓、大電流、大體積放電條件下不容易均勻穩(wěn)定放電激勵的問題。所述的高壓大電流單脈沖放電開關(guān)結(jié)合四個儲能放電腔，形成了一種單脈沖低頻次放電激勵高能準(zhǔn)分子激光器，可以輸出500～1000焦耳級能量的激光。本發(fā)明可以推動準(zhǔn)分子激光器件的發(fā)展，也為激光加工和材料處理提供了一種新的技術(shù)手段。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種高壓大電流單脈沖放電開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的實(shí)施例2的示意圖；

圖3為本發(fā)明的一種單脈沖低頻次放電激勵高能準(zhǔn)分子激光器的電路系統(tǒng)示意圖；

圖4為本發(fā)明的一種單脈沖低頻次放電激勵高能準(zhǔn)分子激光器光路系統(tǒng)示意圖；

圖中所示：1.殼體、2.第一電極、3.第二電極、4.旋轉(zhuǎn)電極、5.旋轉(zhuǎn)軸、6.第一放電間隙、7.第二放電間隙、8.緩沖區(qū)、9.第一氣口、10.第二氣口、11.放電腔、12.電極盤、101.開關(guān)、102.儲氣腔、103.光路。

具體實(shí)施方式

以下對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)施例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種高壓大電流單脈沖放電開關(guān)，所述高壓大電流單脈沖放電開關(guān)為密閉結(jié)構(gòu)，充有高壓氣體，通過氣壓控制單元保持其氣壓恒定，使得所述高壓大電流單脈沖放電開關(guān)可在一定電壓下工作；所述高壓大電流單脈沖放電開關(guān)包括殼體1、第一電極2、第二電極3、旋轉(zhuǎn)電極4和旋轉(zhuǎn)軸5；所述殼體1為絕緣筒，呈工字形，殼體1內(nèi)壁敷設(shè)有陶瓷片，所述陶瓷片提高絕緣性能，也便于濺射物的清理。所述旋轉(zhuǎn)軸5為不銹鋼材料、貫通于所述殼體1；所述旋轉(zhuǎn)軸5的轉(zhuǎn)動采用磁耦合方式獲得開關(guān)外的電機(jī)動力。所述旋轉(zhuǎn)電極4嵌套于所述旋轉(zhuǎn)軸5上；所述第一電極2和第二電極3位于所述旋轉(zhuǎn)電極4兩側(cè)，并分別伸出所述殼體1外；所述第一電極2、第二電極3與旋轉(zhuǎn)電極4的對應(yīng)面分別設(shè)有電極盤12，所述對應(yīng)面為放電強(qiáng)化面，所述電極盤12為耐高溫金屬材料，所述電極盤12采用耐高溫材料分別釬焊于所述第一電極2、第二電極3表面，所述電極盤12耐高溫?zé)g；其余面為紫銅材料；所述旋轉(zhuǎn)軸為不銹鋼材料。所述第一電極2和第二電極3呈圓柱結(jié)構(gòu),所述旋轉(zhuǎn)電極4呈圓柱或球體結(jié)構(gòu),在本實(shí)施例中，所述旋轉(zhuǎn)電極4為圓柱結(jié)構(gòu)，在另外一個實(shí)施例中，所述旋轉(zhuǎn)電極4呈球體結(jié)構(gòu)；所述旋轉(zhuǎn)電極4選擇圓柱體或球體型面，所述第一電極、第二電極3則與之對應(yīng)選擇弧曲面或球曲面，使電極間距取值一致。所述殼體1的中心軸線和所述旋轉(zhuǎn)電極4中心軸線重合；所述第一電極2、第二電極3與旋轉(zhuǎn)電極4對稱分布。所述旋轉(zhuǎn)電極4與所述第一電極2之間為第一放電間隙6；所述旋轉(zhuǎn)電極4與所述第二電極3之間為第二放電間隙7；所述第一放電間隙6和第二放電間隙7兩側(cè)均為放電等離子體擴(kuò)散緩沖區(qū)8，所述第一放電間隙6和第二放電間隙7均為狹縫區(qū)域，工作中會形成高溫高壓氣體，所述緩沖區(qū)8則給這些高溫高壓氣體一個擴(kuò)散空間，有利于放電區(qū)的絕緣恢復(fù)和減少電極損失。所述殼體1上設(shè)有氣口，所述氣口包括第一氣口9和第二氣口10，所述第一氣口9和第二氣口10分別位所述旋轉(zhuǎn)軸5端面兩側(cè)。所述第一氣口9和第二氣口10用于氣體的進(jìn)出，所述第一氣口9和第二氣口10通過外置的循環(huán)裝置將殼體1內(nèi)氣體加以循環(huán)冷卻和過濾，使再次放電前放電區(qū)域的氣體具有良好的絕緣狀態(tài)。當(dāng)所述第二電極3連接高壓、所述第一電極2接地以及所述旋轉(zhuǎn)電極4連接高壓脈沖時，所述的高壓大電流單脈沖放電開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，所述高壓脈沖控制所述的高壓大電流單脈沖放電開關(guān)的通斷。

在本實(shí)施例中，所述高壓大電流單脈沖放電開關(guān)具體參數(shù)如下:電極盤直徑為80mm，厚度為10mm；旋轉(zhuǎn)電極4直徑為60mm，高度為80mm；電極間距為3.5mm；工型絕緣筒殼體1小筒內(nèi)徑為120mm，大筒內(nèi)徑為260mm；充裝氣體為N₂，充氣壓力為3Mpa。

工作原理：當(dāng)所述第二電極3連接高壓、所述第一電極2接地以及所述旋轉(zhuǎn)電極4連接高壓脈沖時，所述的高壓大電流單脈沖放電開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。所述旋轉(zhuǎn)電極4在施加高壓脈沖后，所述旋轉(zhuǎn)電極4與第一電極2之間的第一放電間隙6被擊穿，擊穿之后，施加在第二電極3上的高壓就有能力擊穿旋轉(zhuǎn)電極4和第二電極3之間的第二放電間隙7，從而實(shí)現(xiàn)了第二電極3到第一電極2之間的擊穿過程；實(shí)現(xiàn)具有高工作電壓、快放電、高導(dǎo)通功率的高壓大電流單脈沖放電開關(guān)。

實(shí)施例2

如圖1～4所示，一種單脈沖低頻次放電激勵高能準(zhǔn)分子激光器，包括開關(guān)101、放電腔11和儲氣腔102，所述開關(guān)101同實(shí)施例1的一種高壓大電流單脈沖放電開關(guān)，所述放電腔11的數(shù)量為四個，四個所述放電腔11均勻設(shè)于所述儲氣腔102圓周，每個放電腔11由一個開關(guān)101控制導(dǎo)通；四個所述放電腔11共用一個光路系統(tǒng)，所述光路系統(tǒng)包括四個光路103，每個光路103與一個放電腔11相對應(yīng)，四個光路103形成一個光路系統(tǒng)，所述光路系統(tǒng)如圖4所示。

如圖2所示，四個放電腔11的設(shè)計原理：所述單脈沖低頻次放電激勵高能準(zhǔn)分子激光器，其放電區(qū)域處于高電壓、大電流、大體積放電條件下，采用四個放電腔11同步激勵方式，可解決大體積不容易均勻穩(wěn)定放電激勵的問題。由于追求高能量輸出，在單次或低頻率下工作，四個放電腔11的激光輸出串聯(lián)成一個光路系統(tǒng)，將輸出功率提高至接近4倍的水平。如果只采用一個放電腔，想要達(dá)到這四個放電腔11的效果，放電腔的長度將會過長，欲保持這樣一個超長度放電腔均勻放電，難以實(shí)現(xiàn)，而且超長度放電腔(6～8米)也難以實(shí)現(xiàn)。因此科學(xué)設(shè)計四個放電腔11使得激光器能夠在高電壓、大電流、大體積情況下穩(wěn)定放電。在本實(shí)施例中，所述放電腔11具體參數(shù)如下:其電極的長度為2000mm，寬度為60mm；主放電間距為45mm。

在本實(shí)施例中，激光器的工作電壓為45kV，觸發(fā)電壓為50kV，頻率為1～2Hz；波長為308nm，單脈沖能量為500J。在另外的實(shí)施例中，可實(shí)現(xiàn)500～1000J范圍內(nèi)的單脈沖能量。

工作原理：如圖3所示，所述單脈沖低頻次放電激勵高能準(zhǔn)分子激光器的電路系統(tǒng)為典型的C-C快放電激勵電路，其中C0、C1均為一組電容，C0為主儲能電容，C1為并聯(lián)在激光器激光腔兩側(cè)的峰化電容，C1電容可以實(shí)現(xiàn)快速放電過程，有利于激光輸出；L為充電電感。開關(guān)101不導(dǎo)通時，電容C0處于充電狀態(tài)，直流高壓通過電感L，給電容C0充滿電，由于電感兩端電壓為零，所以該階段電容C1沒有充電。當(dāng)開關(guān)101在觸發(fā)脈沖控制下導(dǎo)通時，開關(guān)101、電容C0和激光腔就構(gòu)成一個放電回路，儲能電容C0先向峰化電容C1充電，然后C1向激光腔放電，激勵激光腔的激光氣體，產(chǎn)生高功率、高能激光。

綜上所述，采用本發(fā)明所提供的一種高壓大電流單脈沖放電開關(guān)，所述高壓大電流單脈沖放電開關(guān)為密閉結(jié)構(gòu)，充有高壓氣體，通過氣壓控制單元保持其氣壓恒定，使得所述高壓大電流單脈沖放電開關(guān)可在一定電壓下工作；所述第一氣口9和第二氣口10通過外置的循環(huán)裝置將殼體1內(nèi)氣體加以循環(huán)冷卻和過濾，使再次放電前放電區(qū)域的氣體具有良好的絕緣狀態(tài)；所述緩沖區(qū)8給放電區(qū)高溫高壓氣體一個擴(kuò)散空間，有利于放電區(qū)的絕緣恢復(fù)和減少電極損失。當(dāng)所述第二電極3連接高壓、所述第一電極2接地以及所述旋轉(zhuǎn)電極4連接高壓脈沖時，所述的高壓大電流單脈沖放電開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。所述旋轉(zhuǎn)電極4在施加高壓脈沖后，所述旋轉(zhuǎn)電極4與第一電極2之間的第一放電間隙6被擊穿，擊穿之后，施加在第二電極3上的高壓就有能力擊穿旋轉(zhuǎn)電極4和第二電極3之間的第二放電間隙7，從而實(shí)現(xiàn)了第二電極3到第一電極2之間的擊穿過程；實(shí)現(xiàn)具有高工作電壓、快放電、高導(dǎo)通功率的高壓大電流單脈沖放電開關(guān)。利用所述高壓大電流單脈沖放電開關(guān)，可以獲得一種可以輸出高能量激光的激光器。

另外，采用四個放電腔11同步激勵方式，解決放電區(qū)域處于高電壓、大電流、大體積放電條件下不容易均勻穩(wěn)定放電激勵的問題。所述的高壓大電流單脈沖放電開關(guān)結(jié)合四個儲能放電腔11，形成了一種單脈沖低頻次放電激勵高能準(zhǔn)分子激光器，可以輸出500～1000焦耳級能量的激光。本發(fā)明可推動準(zhǔn)分子激光器件的發(fā)展，也為激光加工和材料處理提供了一種新的技術(shù)手段。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。