專利名稱：高重復率脈沖放電板條氣體激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光器技術，特別是涉及一種高重復率脈沖放電板條氣體激光器。
背景技術：
脈沖預電離的非自持直流放電是一種很成功的激勵方式，可用于產生連續波激光輸出(參考文獻N.A.Generalov，M.I.Gorbulenko，N.G.Solov’yov,M.Yu.Yakimov，V.P.Zimakov.High-power industrial CO2lasersexcited by a nonself-sustained glow discharge.In“Gas Lasers-RecentDevelopments and Future Prospects”edited by W.J.Witteman and V.N.Ochkin.NetherlandsKluwer Academic Publishers，1996，323-341)。該方案是采用閘流管脈沖調制器產生的窄脈沖作為預電離放電電壓，在激光氣體媒質中產生足夠的預電離電子濃度，然后用直流放電作為主放電。脈沖預電離的作用是降低主放電的E/P值，使激光器的電光轉換效率提高。此外，脈沖預電離放電在放電區內形成均勻的預電離電子密度，對主放電起穩定的作用。激光器采用對流冷卻方式，可以獲得很高的連續輸出功率。
近年來，采用射頻激勵技術的面積放大型擴散冷卻CO2激光器由于其輸出功率與擴散冷卻的面積成正比，且免去了對流冷卻中使用的笨重的風機，結構非常緊湊，因而成為新一代極具競爭力的激光器，在工業上應用日益廣泛。但迄今為止，擴散冷卻的板條CO2激光器都是以連續或調制脈沖的形式運轉，難以脈沖方式運行。脈沖激光器由于具有高的脈沖峰值功率，在很多方面有著不可替代的作用。在軍事上，激光雷達、激光探測、激光干擾致盲等都需要一定重復頻率的脈沖激光。在激光加工中的許多特殊工藝也需要高的脈沖峰值功率。

發明內容
本發明的目的是提供一種新型氣體激光器——高重復頻率脈沖放電板條氣體激光器。在覆蓋著絕緣介質薄層的兩個金屬平板預電離電極之間采用高重復頻率橫向脈沖預電離放電，在與平板平行方向上的主放電電極之間采用高重復頻率脈沖主放電，從而在矩形截面放電區實現均勻脈沖放電激勵。
為實現上述目的，本發明的技術解決方案是提供一種預電離電極采用冷卻液冷卻的高重復頻率脈沖放電板條氣體激光器，由激光諧振腔、預電離電極、主放電電極、絕緣層、高重復頻率預電離脈沖發生器、高重復頻率主放電脈沖發生器、脈沖延時器等組成。其中，在激光放電腔內，設有內通冷卻液以實現擴散冷卻的上預電離電極和下預電離電極。也可采用附加的內通冷卻液的冷卻塊與電極緊密接觸實現電極的冷卻。兩預電離電極內表面附有絕緣層，且上預電離電極和下預電離電極分別與預電離脈沖發生器電連接；兩主放電電極分別置于上預電離電極和下預電離電極的兩側，并分別與主放電脈沖發生器的兩輸出端相連。主放電脈沖發生器的發生時間相對于預電離脈沖發生器有延遲，通過脈沖延時器控制。
所述的高重復率脈沖放電板條氣體激光器，能采用擴散冷卻，也可采用對流冷卻。在后一種情形，氣體在增益區高速流動，將放電中產生的熱量帶走。
所述的高重復率脈沖放電板條氣體激光器，其預電離脈沖發生器有三種類型一是閘流管脈沖電源；二是脈沖開關電源；三是晶閘管脈沖電源。
所述的高重復率脈沖放電板條氣體激光器，其主放電脈沖發生器有三種可選電路。一是閘流管控制的脈沖形成網絡放電電路，在簡化的情況下，脈沖形成網絡可以是一個單電容；二是晶閘管控制的脈沖形成網絡放電電路；三是脈沖開關電源。
所述的高重復率脈沖放電板條氣體激光器，其脈沖延時器也可以是依靠分布電容充電延遲。屬于自動延遲電路。
所述的高重復率脈沖放電板條氣體激光器，一主放電電極與上預電離電極相連，另一主放電電極與下預電離電極相連。
所述的高重復率脈沖放電板條氣體激光器，主放電電極與預電離電極合二為一。
所述的高重復率脈沖放電板條氣體激光器，在激光放電腔內，設有上電極和下電極，上電極的右(或左)部覆蓋絕緣層，下電極的左(或右)部覆蓋絕緣層，上電極和下電極未覆蓋部分作為兩主放電電極，覆蓋部分作為兩預電離電極。
所述的高重復率脈沖放電板條氣體激光器，在激光放電腔內，設有上電極和下電極，上電極的左右兩部分覆蓋絕緣層，作為上預電離電極，中間一小部分未覆蓋，作為高壓主放電電極；下電極的中間部分覆蓋絕緣層，作為下預電離電極，兩邊留出小部分未覆蓋，作為另一接地主放電電極。
所述的高重復率脈沖放電板條氣體激光器，其重復頻率可從單脈沖至100kHz。
本發明高重復率脈沖放電板條氣體激光器可采用擴散冷卻，也可采用對流冷卻。在擴散冷卻情況下，可以充分展現板條激光器面積放大，易小型化的優點。高重復率脈沖板條激光器能同時滿足應用中對高脈沖峰值功率和高平均功率的需要，適用于二氧化碳激光器，一氧化碳激光器等多種氣體激光器，在激光加工，激光探測，激光雷達，光化學等領域有廣泛的應用前景。


圖1是本發明高重復率脈沖板條氣體激光器示意圖；圖2是本發明的第一至第三實施例示意圖；圖3是本發明的第四實施例；圖4是本發明的第五實施例；圖5是本發明的第六實施例；圖6是本發明的第七實施例。
具體實施例方式
為進一步說明本發明的特征及結構，以下結合附圖對本發明作詳細描述。
請參閱圖1，高重復率脈沖板條氣體激光器包括上預電離電極1和下預電離電極2，主放電電極3和4，絕緣層5和6，激光諧振腔7，高重復頻率預電離脈沖發生器8，高重復頻率主放電脈沖發生器9，脈沖延時器10。板條狀預電離電極1和2分別與預電離脈沖發生器8的高壓端和低壓端相連。主放電電極3和4位于預電離電極兩側，分別與主放電脈沖發生器9的高壓端和低壓端相連。預電離脈沖發生器8與主放電脈沖發生器9通過一脈沖延時器10相連。預電離電極的內表面緊密地附著有高熱導率的絕緣層5、6，絕緣層材料為氧化鋁陶瓷或搪瓷。預電離電極金屬板內部加工有冷卻槽，通以冷卻液進行擴散冷卻。上、下預電離電極之間的區域即為激光器的放電區。預電離電極的寬度W與它們之間的間隙h之比W/h定義為激光器放電區的“寬高比”。寬高比可以在2到30之間改變。在高重復頻率脈沖放電中產生的熱量可以迅速擴散到管壁，通過高熱導率的絕緣層傳播到電極金屬板，再由冷卻液帶走。由于絕緣層很薄(一般200-800μm)，并且緊密附著在電極的內表面，所以可以在一定的注入功率范圍內使激光器得到充分的冷卻。
放電時，預電離脈沖電壓在放電區形成均勻的等離子體，有利于形成大面積的矩形截面的均勻放電，并且降低了主放電的E/P值。預電離脈沖很窄，它可以通過絕緣層耦合進入放電區。絕緣層在這里的作用一是防止直流橫向激勵，二是作為橫向脈沖預電離放電的分布式阻抗，使橫向預電離放電均勻。預電離放電之后經過一定的延遲時間(時間長短由延時器控制，一般為幾十納秒至幾微妙)，主放電才發生。每一主放電電壓脈沖產生一個激光脈沖，而且由于預電離的存在，主放電E/P值較低，有利于氣體分子激發到高能態，從而提高激光器的轉換效率。
圖2是本發明的第一實施例，其中主放電為閘流管控制脈沖形成網絡放電。預電離放電也采用閘流管脈沖發生器。
本發明的第二實施例參看圖2，其中預電離脈沖放電采用窄脈沖開關電源或晶閘管脈沖發生器。
本發明的第三實施例參看圖2，其中主放電為晶閘管控制的脈沖形成網絡放電，預電離可采用閘流管脈沖電源、脈沖開關電源或晶閘管脈沖電源。
圖3為本發明的第四實施例，其中主放電電路為電容脈沖放電。電容脈沖放電是脈沖形成網絡的特殊情形。
圖4是本發明的第五實施例，其中主放電電極3與預電離電極1電相連，主放電電極4與預電離電極2電相連。采用電容脈沖放電電源作為主放電電源，也作為預電離電源。電容脈沖放電電壓有陡直的上升沿，其包含的高頻成分容易通過預電離電極的絕緣介質層5和6形成的分布電容進入放電區。這是一種自動延遲方式。由于只采用一個放電電源而使激光器系統進一步簡化。
圖5是本發明的第六實施例，是圖4的進一步簡化和改進。其中，主放電電極與預電離電極合二為一。上電極1的右部覆蓋絕緣介質層5，下電極2的左部覆蓋絕緣介質層6，未覆蓋部分作為主放電電極3、4，覆蓋部分作為預電離電極。其工作原理與圖4是類似的。
圖6是本發明的第七實施例，是一種對稱的結構，是圖5的延伸。其中上電極1的左右兩部分覆蓋絕緣層5，作為預電離電極。中間一小部分未覆蓋，作為高壓主放電電極3。下電極2中間部分覆蓋絕緣層6，作為預電離電極。兩邊留出小部分未覆蓋，作為接地主放電電極4。這種激光器結構簡單、緊湊，而且兩端的地電位有利于激光器的整體設計。在圖5和圖6結構中激光器的諧振腔可以平行于主放電方向，也可以垂直于主放電方向，后者也可稱為“交叉放電”。
權利要求
1.一種高重復率脈沖板條氣體激光器，由激光諧振腔、預電離電極、主放電電極、絕緣層、高重復頻率預電離脈沖發生器、高重復頻率主放電脈沖發生器、延時電路組成，其特征在于，在激光放電腔內，設有內通冷卻液的上預電離電極和下預電離電極；兩電極內表面附有絕緣層，且上預電離電極和下預電離電極分別與預電離脈沖發生器電連接；兩主放電電極分別置于上預電離電極和下預電離電極的兩側，且分別與主放電脈沖發生器的輸出端相連；兩者之間采用延遲器控制。
2.如權利要求1所述的高重復率脈沖板條氣體激光器，其特征在于，可以采用擴散冷卻，也可以采用對流冷卻。
3.如權利要求1所述的高重復率脈沖板條氣體激光器，其特征在于，主放電為閘流管控制脈沖形成網絡放電；預電離放電采用閘流管脈沖發生器。
4.如權利要求1所述的高重復率脈沖板條氣體激光器，其特征在于，預電離脈沖放電采用窄脈沖開關電源或晶閘管脈沖發生器。
5.如權利要求1所述的高重復率脈沖板條氣體激光器，其特征在于，主放電為晶閘管控制的脈沖形成網絡放電。
6.如權利要求1所述的高重復率脈沖板條氣體激光器，其特征在于，主放電電路為電容脈沖放電。
7.如權利要求1所述的高重復率脈沖板條氣體激光器，其特征在于，其中一主放電電極與上預電離電極電相連，另一主放電電極與下預電離電極電相連。
8.如權利要求7所述的高重復率脈沖板條氣體激光器，其特征在于，主放電電極與預電離電極合二為一。
9.如權利要求8所述的高重復率脈沖板條氣體激光器，其特征在于，在激光放電腔內，設有上電極和下電極，上電極的右(或左)部覆蓋絕緣層，下電極的左(或右)部覆蓋絕緣層，上電極和下電極未覆蓋部分作為兩主放電電極，覆蓋部分作為兩預電離電極。
10.如權利要求8所述的高重復率脈沖板條氣體激光器，其特征在于，在激光放電腔內，設有上電極和下電極，上電極的左右兩部分覆蓋絕緣層，作為上預電離電極，中間一小部分未覆蓋，作為一主放電電極；下電極的中間部分覆蓋絕緣層，作為下預電離電極，兩邊留出小部分未覆蓋，作為另一接地主放電電極。
全文摘要
本發明涉及激光器技術，特別是涉及一種高重復率脈沖放電板條氣體激光器。本發明的激光器在激光放電腔內設有內通冷卻液的上預電離電極和下預電離電極，兩電極內表面附有絕緣層，且上預電離電極和下預電離電極分別與預電離脈沖發生器電連接；兩主放電電極分別置于上預電離電極和下預電離電極的兩側，且分別與主放電脈沖發生器的輸出端相連；兩者之間采用延遲器控制。本發明可滿足應用中對高脈沖峰值功率和高平均功率的需要。
文檔編號H01S3/04GK1532999SQ0310727
公開日2004年9月29日 申請日期2003年3月21日 優先權日2003年3月21日
發明者于延寧, 萬重怡 申請人:中國科學院電子學研究所