專利名稱：氣體CO₂激光器的激光放電腔裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體激光器，特別是涉及高壓大電流、高脈沖能量和高重復(fù)頻率的氣體
TEA C02激光器的激光放電腔裝置。
背景技術(shù)：
對(duì)于連續(xù)輸出C02激光的或是脈沖輸出激光的氣體C02激光器，都需要激光放電腔工作
在均勻的輝光放電狀態(tài)條件下。為獲得較高功率的激光輸出，需經(jīng)激光器的儲(chǔ)能充放電系統(tǒng) 注入給激光放電腔較大的電能，并使激光放電腔在一個(gè)穩(wěn)定范圍的工作氣體壓力和高電壓大
電流下維持均勻場(chǎng)輝光放電而避免弧光放電的發(fā)生，這是高功率氣體C02激光器(特別是脈 沖氣體C02激光器)技術(shù)較難解決的關(guān)鍵問題。由于激光器放電過程有從輝光到弧光的過渡 因素存在。導(dǎo)致了高功率氣體C02激光器不可能穩(wěn)定可靠的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行工作，因此，人們?yōu)?br> 改善和提高大電能量的注入、高重復(fù)頻率和高氣壓氣體循環(huán)條件下的輝光放電穩(wěn)定性問題， 通過設(shè)計(jì)選擇不同類型的放電電極及預(yù)電離方式和氣體循環(huán)通道而構(gòu)成的激光放電腔，來(lái)解 決由于氣體擾動(dòng)效應(yīng)和氣體熱劣變等不穩(wěn)定性因素導(dǎo)致等離子氣體從輝光放電到產(chǎn)生弧光 的放電過渡概率急劇增加而不能維持輝光放電穩(wěn)定性問題。本發(fā)明采用由放電電極、火花針
放電紫外預(yù)電離和流暢的氣體循環(huán)通道等技術(shù)設(shè)計(jì)的激光放電腔裝置，可使氣體C02激光器 獲得平均激光輸出功率為數(shù)十kW，激光脈沖能量為數(shù)十焦耳，高重復(fù)頻率為數(shù)百赫茲。且
該裝置具有技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、體積相對(duì)較小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能在大電能量注入、高重復(fù)頻率和高氣壓氣體循環(huán)
條件下長(zhǎng)時(shí)間維持均勻場(chǎng)輝光放電可靠穩(wěn)定工作的高功率氣體C02激光器激光放電腔裝置。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的高功率氣體C02激光器激光放電腔裝置包括腔右側(cè)立 板；腔上支撐框板；腔上絕緣框板；腔上電極板；上放電電極；陶瓷絕緣片；上預(yù)電離觸發(fā) 針；腔左側(cè)立板；下放電電極；氣體循環(huán)通道進(jìn)氣口；腔下電極板；下預(yù)電離觸發(fā)針；氣體循環(huán)通道出氣口；腔前側(cè)端板；腔后側(cè)端板。
所述的激光放電腔為一矩形箱體結(jié)構(gòu)，沿箱體長(zhǎng)度方向的上電極板上裝有上放電電極， 并通過腔上絕緣框板與腔上支撐框板連為一體構(gòu)成上放電導(dǎo)電板；導(dǎo)電板上裝有多片陶瓷絕 緣片，腔上絕緣框板上裝有透過陶瓷絕緣片的多個(gè)上預(yù)電離觸發(fā)針；下電極板上裝有下放電 電極，多片陶瓷絕緣片和透過陶瓷絕緣片的多個(gè)下預(yù)電離觸發(fā)針，連為一體構(gòu)成下放電導(dǎo)電 板；腔左、右側(cè)立板與腔前、后側(cè)端板焊接后成為一框體；腔左、右側(cè)立板上開有用于氣體 循環(huán)的多個(gè)通道進(jìn)氣口和多個(gè)通道出氣口，使工作氣體通過風(fēng)機(jī)在密閉循環(huán)通道中流動(dòng)，腔 前、后側(cè)端板上各開有一個(gè)圓孔用于激光器光學(xué)諧振腔進(jìn)行光子諧振后的激光光束輸出通
道。用螺栓將框體與上、下放電導(dǎo)電板緊固連接后構(gòu)成高功率氣體ccv激光器激光放電腔裝
置。并使激光放電腔固定安裝在密閉循環(huán)流動(dòng)的工作氣體通道中。
所述的條形上放電電極和下放電電極均為條形，其位置是固定安裝在空間軸0點(diǎn)的上、 下等分處，條形電極表面均為曲形剖面，電極兩端均為圓弧形面，主放電的放電間隙為 30-40ram。并使工作氣體在放電間隙通道中循環(huán)流動(dòng)。
所述的上預(yù)電離觸發(fā)針和下預(yù)電離觸發(fā)針為60對(duì)，其位置是固定安裝在放電電極兩側(cè)， 且距離電極邊緣應(yīng)大于1.5倍的放電間隙處。每對(duì)預(yù)電離觸發(fā)針的放電間隙為6-lOmm，在 空間軸0點(diǎn)水平偏下位置。同時(shí)使工作氣體在觸發(fā)針放電間隙和多對(duì)預(yù)電離觸發(fā)針通道中循 環(huán)流動(dòng)。
所述的腔上支撐框板、腔上絕緣框板和腔上電極板的搭接處用耐高溫和耐油膠粘接連成 為一體構(gòu)成上放電導(dǎo)電板；由下放電電極和腔下電極板緊固連接構(gòu)成的下放電導(dǎo)電板。
所述的陶瓷絕緣片為斜面且表面光滑的矩形陶瓷體，其位置是將多片矩形陶瓷體固定粘 貼在上、下放電電極兩側(cè)和兩端處，以及上、下放電導(dǎo)電板的表面處；用于防止高壓漏電和 放電電場(chǎng)的爬弧，所設(shè)計(jì)的導(dǎo)流通道非常規(guī)整，能使流動(dòng)的密閉工作氣體循環(huán)更為流暢。
所述的腔左側(cè)立板上開有多個(gè)lOOmmXlOOmm的矩形孔做為工作氣體進(jìn)氣口通道，腔右 側(cè)立板上開有多個(gè)lOOmmXlOOmm的矩形孔做為工作氣體出氣口通道，用于由風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力 源使工作氣體通過進(jìn)氣口通道和出氣口通道在高功率氣體C02激光器密閉的氣體循環(huán)流道中高速流通。
所述的腔前、后側(cè)端板上各開有一個(gè)100mm-120raiii直徑的圓孔，其圓心位置在空間軸0 點(diǎn)的同軸處，用于高功率氣體C(V激光器進(jìn)行放電工作時(shí)，光學(xué)諧振腔的全反射鏡和輸出反 射鏡進(jìn)行光子諧振后的激光光束輸出通道。
本發(fā)明的激光放電腔裝置與高功率氣體C(V激光器主機(jī)設(shè)備固定連接，由激光器儲(chǔ)能充 放電路提供給的電能量，將激光放電腔放電電場(chǎng)內(nèi)被電離的工作氣體，通過60對(duì)上、下預(yù) 電離觸發(fā)針的預(yù)先火花放電和一對(duì)主放電極的滯后均勻場(chǎng)輝光放電而獲得光電子，再由激光 器光學(xué)諧振腔的全反射鏡與輸出反射鏡透過腔前、后側(cè)端板上的圓孔進(jìn)行光子多次諧振后獲 得激光輸出，由于高功率TEA C(V激光器是在高重復(fù)頻率狀態(tài)下運(yùn)行工作，要求必須將每一 次脈沖放電后被電離的工作介質(zhì)(氣體)迅速換掉，并在激光放電腔的放電區(qū)內(nèi)注入新的工 作氣體，以避免下一次脈沖放電時(shí)放電區(qū)內(nèi)產(chǎn)生弧光放電，使激光器不能維持輝光放電而長(zhǎng) 時(shí)間的穩(wěn)定工作，工作氣體通過腔左、右側(cè)立板上開有多個(gè)的矩形孔做為進(jìn)氣口通道和出氣 口通道，經(jīng)氣體導(dǎo)流裝置流入激光器的密閉氣體循環(huán)環(huán)形腔內(nèi)，由于工作氣體在密閉氣體循 環(huán)環(huán)形腔內(nèi)高速流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間維持放電電極的輝光放電，而使激光器能夠長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn) 定運(yùn)行工作。
本發(fā)明的高功率氣體C02激光器激光放電腔裝置具有均勻場(chǎng)輝光放電面積較大、放電持 續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且穩(wěn)定、放電工作轉(zhuǎn)換效率較高和工作氣體循環(huán)交換非常流暢等特點(diǎn)。使高功率氣 體C(V激光器不再因?yàn)椴荒荛L(zhǎng)久維持均勻場(chǎng)輝光放電而產(chǎn)生弧光放電，故可以延長(zhǎng)氣體C02 激光器的工作使用壽命，另外本發(fā)明的氣體C02激光器激光放電腔裝置可以與激光器的儲(chǔ)能 箱結(jié)合成為一體構(gòu)成一個(gè)體積較小、結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單和制造成本低新型激光器件裝置，可應(yīng)用 于各類高功率氣體激光器和高功率脈沖氣體C02激光器中。


圖1為本發(fā)明的氣體C02激光器激光放電腔裝置的主視圖2為本發(fā)明的氣體CCV激光器激光放電腔裝置的右視圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明詳見圖1和圖2: 本發(fā)明的氣體C02激光器激光放電腔包括腔右側(cè)立板01、腔上支撐框板02、腔上絕緣框
板03、腔上電極板04、上放電電極05、陶瓷絕緣片06、上預(yù)電離觸發(fā)針07、腔左側(cè)立板 08、下放電電極09、氣體循環(huán)通道進(jìn)氣口 10、腔下電極板ll、下預(yù)電離觸發(fā)針12、氣體循 環(huán)通道出氣口13、腔前側(cè)端板14、腔后側(cè)端板15構(gòu)成激光放電腔裝置。
所述的腔右側(cè)立板01;腔左側(cè)立板08;腔前側(cè)端板14;腔后側(cè)端板15用氬弧焊機(jī)焊
接連成為一個(gè)框體，上述側(cè)立板和側(cè)端板均采用不銹鋼材料制作。在腔右側(cè)立板01和腔左 側(cè)立板08的中間線按延長(zhǎng)方向?qū)ΨQ開出13個(gè)100mmX 100mra的矩形孔做為工作氣體進(jìn)、出 氣口通道，每?jī)蓚€(gè)矩形孔中間留有3mm厚的支撐帶，在腔前側(cè)端板14和腔后側(cè)端板15的中 間軸線對(duì)稱開出100mm-120咖直徑的圓孔做為光學(xué)諧振腔的全反射鏡和輸出反射鏡進(jìn)行光 子諧振后的激光光束輸出通道。
所述的腔上支撐框板02、腔上絕緣框板03和腔上電極板04的搭接處用耐高溫和耐油 膠粘接連成為一體構(gòu)成上放電導(dǎo)電板，在框板搭接處用多個(gè)M5螺釘壓緊固定后在用耐高溫 和耐油膠將螺釘密封粘接。腔上支撐框板02和上電極板04均采用不銹鋼材料制作，腔上絕 緣框板03采用玻璃絲布板材料制作。
所述的腔上電極板04上按延長(zhǎng)方向中間線兩側(cè)對(duì)稱開有兩排①7通孔，上放電電極05 按延長(zhǎng)方向中間線兩側(cè)對(duì)稱開有兩排M6螺孔，用多個(gè)M6螺釘將腔上電極板04與上放電電 極05用不銹鋼材料壓緊固定；在下放電電極09上按延長(zhǎng)方向開有兩排M6螺孔，腔下電極 板11用不銹鋼材料制作，按延長(zhǎng)方向開有兩排^7通孔；用多個(gè)M6螺釘將腔下電極板U 與用不銹鋼材料制作的下放電電極09壓緊固定。
所述的腔上絕緣框板03按延長(zhǎng)方向中間線兩側(cè)對(duì)稱開有兩排每排30個(gè)M6螺孔，將60 個(gè)上預(yù)電離觸發(fā)針07依次旋入上絕緣框板03兩排60個(gè)M6的螺孔上并固定；在腔下電極板 11按延長(zhǎng)方向中間線兩側(cè)對(duì)稱開有兩排每排30個(gè)M6螺孔，將60個(gè)下預(yù)電離觸發(fā)針12依 次旋入上絕緣框板03兩排60個(gè)M6的螺孔上并固定。上預(yù)電離觸發(fā)針07和下預(yù)電離觸發(fā)針 12采用萊鎢合金材料制作。所述的腔上支撐框板02、腔上絕緣框板03和腔上電極板04構(gòu)成的上放電導(dǎo)電板與上 放電電極05緊固連接后，用耐高溫和耐油膠將多片陶瓷絕緣片06依次的緊貼上放電電極 05兩邊緣處向外延伸粘接連成為一體構(gòu)成工作氣體上導(dǎo)流通道；由下放電電極09和腔下電 極板11緊固連接構(gòu)成的下放電導(dǎo)電板，用耐高溫和耐油膠將多片陶瓷絕緣片06依次的緊貼 下放電電極09兩邊緣處向外延伸粘接連成為一體構(gòu)成工作氣體下導(dǎo)流通道。陶瓷絕緣片06 采用陶瓷材料燒制制作，
在腔右側(cè)立板01;腔左側(cè)立板08;腔前側(cè)端板14;腔后側(cè)端板15焊接連成的框體上，
按工作氣體的進(jìn)、出氣口通道和激光光束輸出通道的上下邊緣的圓周位置，加工有多個(gè)07 的通孔；在腔上支撐框板02板厚的圓周中心線位置上，加工有多個(gè)M6螺紋盲孔，且應(yīng)與框 體的上部邊緣的圓周加工有多個(gè)^7的通孔相對(duì)應(yīng)；在腔下電極板11板厚的圓周中心線位 置上，加工有多個(gè)M6螺紋盲孔，應(yīng)與框體的下部邊緣的圓周加工有多個(gè)07的通孔相對(duì)應(yīng)。
將裝配好的上、下放電導(dǎo)電板和工作氣體上、下導(dǎo)流通道裝入框體的上、下部位，通過 相對(duì)應(yīng)多個(gè)07的通孔和多個(gè)M6螺紋盲孔，用多個(gè)M6內(nèi)六角螺釘連接緊固；在裝配的過程 中應(yīng)調(diào)整好上放電電極05和下放電電極09的放電間隙為30mm-40誦，同時(shí)也要調(diào)整好上預(yù) 電離觸發(fā)針07和下預(yù)電離觸發(fā)針12的放電間隙為6mm-10ram。裝配好的激光放電腔裝置用 12個(gè)內(nèi)六角螺釘配合連接緊固在氣體C02激光器的儲(chǔ)能充放電路裝置和工作氣體的導(dǎo)流裝置 的密閉氣體循環(huán)環(huán)形腔內(nèi)，構(gòu)成完整的高功率氣體C02激光器激光放電腔裝置系統(tǒng)。配合主 機(jī)設(shè)備和光學(xué)諧振腔系統(tǒng)完成激光器的均勻場(chǎng)輝光放電并獲得激光輸出。
激光放電腔是氣體C02激光器技術(shù)的基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)之一，本發(fā)明采用均勻場(chǎng)輝光放電的 激光放電腔，主要應(yīng)用于氣體激光器技術(shù)和高功率氣體脈沖C02激光器技術(shù)，解決了氣體激 光器的激光放電腔配附激光器主機(jī)能穩(wěn)定可靠的運(yùn)行工作，可以使氣體C02激光器較長(zhǎng)時(shí)間 穩(wěn)定的均勻場(chǎng)輝光放電獲得大功率高質(zhì)量的激光能量。本發(fā)明的裝置具有技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制 造成本低，體積相對(duì)較小且緊湊等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)械零部件加工非常易于實(shí)現(xiàn)，解 決了氣體激光器可長(zhǎng)時(shí)間的使用壽命，從而使高功率氣體C(V激光器能夠長(zhǎng)時(shí)間可靠的穩(wěn)定 工作。
權(quán)利要求
1、一種氣體CO2激光器的激光放電腔裝置，其特征在于包括腔右側(cè)立板(01)、腔上支撐框板(02)、腔上絕緣框板(03)、腔上電極板(04)、上放電電極(05)、陶瓷絕緣片(06)、上預(yù)電離觸發(fā)針(07)、腔左側(cè)立板(08)、下放電電極(09)、氣體循環(huán)通道進(jìn)氣口(10)、腔下電極板(11)、下預(yù)電離觸發(fā)針(12)、氣體循環(huán)通道出氣口(13)、腔前側(cè)端板(14)、腔后側(cè)端板(15)；各部分的位置和連接關(guān)系所述的激光放電腔為一矩形箱體結(jié)構(gòu)，沿箱體長(zhǎng)度方向的腔上電極板(04)上裝有上放電電極(05)，并通過腔上絕緣框板(03)與腔上支撐框板(02)連為一體構(gòu)成上放電導(dǎo)電板；導(dǎo)電板上裝有多片陶瓷絕緣片(06)，腔上絕緣框板(03)上裝有透過陶瓷絕緣片(06)的多個(gè)上預(yù)電離觸發(fā)針(07)；下電極板(11)上裝有下放電電極(09)，多片陶瓷絕緣片(06)和透過陶瓷絕緣片的多個(gè)下預(yù)電離觸發(fā)針(12)，連為一體構(gòu)成下放電導(dǎo)電板；腔右側(cè)立板(01)、腔左側(cè)立板(08)與腔前側(cè)端板(14)、腔后側(cè)端板(15)焊接后成為一框體；腔左、右側(cè)立板上開有用于氣體循環(huán)的多個(gè)氣體循環(huán)通道進(jìn)氣口(10)和多個(gè)氣體循環(huán)通道出氣口(13)，使工作氣體通過風(fēng)機(jī)在密閉循環(huán)通道中流動(dòng)，腔前、后側(cè)端板上各開有一個(gè)圓孔用于激光器光學(xué)諧振腔進(jìn)行光子諧振后的激光光束輸出通道；用螺栓將框體與上、下放電導(dǎo)電板緊固連接后構(gòu)成高功率氣體CO2激光器激光放電腔裝置；并使激光放電腔固定安裝在密閉循環(huán)流動(dòng)的工作氣體通道中。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體C02激光器的激光放電腔裝置，其特征在于上放電電極(04) 和下放電電極(09)均為條形，其位置是固定安裝在空間軸O點(diǎn)的上、下等分處，條形電極 表面均為曲形剖面，電極兩端均為圓弧形面，為使工作氣體在放電間隙通道中循環(huán)流動(dòng)，主 放電的放電間隙為30-40咖。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體C02激光器的激光放電腔裝置，其特征在于上預(yù)電離觸發(fā) 針(07)和下預(yù)電離觸發(fā)針(12)為60對(duì)，其位置是固定安裝在放電電極兩側(cè)，且距離電 極邊緣應(yīng)大于1. 5倍的放電間隙處；為使工作氣體在觸發(fā)針放電間隙和多對(duì)預(yù)電離觸發(fā)針道中循環(huán)流動(dòng)，每對(duì)預(yù)電離觸發(fā)針的放電間隙為6-10mm，并在空間軸0點(diǎn)水平偏下位置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體CCU敫光器的激光放電腔裝置，其特征在于所述的腔上支 撐框板(02)、腔上絕緣框板(03)和腔上電極板(04)的搭接處用耐高溫和耐油膠粘接連 成為一體構(gòu)成上放電導(dǎo)電板；由下放電電極(09)和腔下電極板(11)緊固連接構(gòu)成的下放電導(dǎo) 電板。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體C02激光器的激光放電腔裝置，其特征在于陶瓷絕緣片(06) 為斜面且表面光滑的矩形陶瓷體，為了防止高壓漏電和放電電場(chǎng)的爬弧，其位置是將多片矩 形陶瓷體固定粘貼在上放電電極(05)、下放電電極(09)兩側(cè)和兩端處，以及上、下放電導(dǎo) 電板的表面處。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體C02激光器的激光放電腔裝置，其特征在于為了使工作氣 體在密閉的氣體循環(huán)流道中高速流通，腔左側(cè)立板(08)上開有多個(gè)lOOmmXlOOmm的矩形 孔做為工作氣體進(jìn)氣口通道(10);腔右側(cè)立板(01)上開有多個(gè)100ramX100mm的矩形孔做 為工作氣體出氣口通道(13)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體C02激光器的激光放電腔裝置，其特征在于腔前側(cè)端板 (14)、腔后側(cè)端板(15)上各開有一個(gè)100mm-120mm直徑的圓孔，其圓心位置在空間軸0點(diǎn)的同軸處，作為激光光束輸出通道。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣體CO₂激光器的激光放電腔裝置，該裝置包括腔右側(cè)立板，腔上支撐框板，腔上絕緣框板，上電極板，上放電電極，陶瓷絕緣片，上預(yù)電離觸發(fā)針，腔左側(cè)立板，下放電電極，氣體循環(huán)通道進(jìn)氣口，下電極板，下預(yù)電離觸發(fā)針，氣體循環(huán)通道出氣口，腔右側(cè)端板，腔左側(cè)端板。其特征是激光放電腔固定安裝在密閉循環(huán)流動(dòng)的工作氣體通道上，經(jīng)儲(chǔ)能充放電路注入電能后使上、下放電電極大面積均勻的輝光放電和多對(duì)上、下紫外光預(yù)電離觸發(fā)針實(shí)現(xiàn)火花放電而構(gòu)成激光器的激光放電腔。本發(fā)明體積小且結(jié)構(gòu)緊湊，便于放電電極和預(yù)電離觸發(fā)針的修整與安裝，使氣體CO₂激光器系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作而延長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)壽命，適用于高功率氣體激光器和脈沖氣體激光器。
文檔編號(hào)H01S3/03GK101540467SQ200910066898
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者耿玉民, 勁 郭 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所