高功率高重频TEA CO2激光器激光放电腔技术

介绍了高功率、高重频TEA CO2激光器激光放电腔的放电电路、结构及特点,针对该系统的性能实施了合理的技术设想及研究方法。在分析高功率TEA激光器技术基础上,讨论了TEA CO2激光器激光放电腔的基本机理。该系统由多只具有储能充、放电功能的陶瓷电容,通过低阻抗匹配传输线、放电电极和紫外光预电离装置向激光器高能放电腔注入电能,获得高重复频率脉冲和高能量脉冲,经光学谐振腔窗口输出高功率激光。描述了储能充放电路、高压快脉冲、低阻抗匹配传输线、放电电极和紫外光预电离等技术的具体应用。     

脉冲HF激光器预电离设计及效果评估

气体介质稳定体放电是放电激励气体激光器高效输出的基础和前提,预电离是实现高压气体介质稳定体放电的有效技术途径之一。基于放电激励脉冲HF激光器电气结构总体设计要求设计了结构紧凑的紫外光自动预电离装置, 并对其在气体介质中预电离产生的初始电子数密度进行了数值模拟。模拟结果表明:在整个放电区域内初始电子数密度均在109/cm3左右,满足介质体放电要求。通过激光器能量输出实验评估了预电离效果,对SF6和H2混合气体介质,在充电电压较低时,输出能量有数倍的提高;对SF6和C2H6混合气体介质,在充电电压20 kV时激光器输出能量由200 mJ提高至297 mJ,提高了近50%。实验结果表明:该预电离装置对改善激光器能量输出特性有明显效果。     

印刷电路板预电离TEA CO2激光器的阴极表面预电离研究

弧光放电不利于TEA CO2激光器输出高功率激光,通常采用预电离技术来获得主电极间的均匀辉光放电。印刷电路板预电离较其他紫外光预电离方式具有更好的预电离强度和预电离均匀性的结合,有利于产生高重复频率和高平均功率的脉冲激光。本文研究了印刷电路板预电离TEA CO2激光器中有、无紫外光体积光电离的两种不同预电离结构形式,主放电均匀性实验表明,在无紫外光体积光电离的情况下,也可以获得放电均匀性很好的大体积主放电。这说明在印刷电路板预电离中起主导作用的是阴极表面的预电离效应。本研究结果对探讨TEA CO2激光器的预电离放电机理具有参考价值。     

放电管径和放电气压对CO2激光器功率的影响

轴快流CO2激光器由于其较高的光束质量以及高功率,在现代加工中的作用日益突出。提出了通过优化放电管管径以及放电气压的途径达到提高激光器的输出功率的目的。分析了放电管径和放电气压对激光器功率的影响以及原因。优化后,激光器的输出功率由293 W提高至372 W,功率提高了27％,对提高激光器功率的研究具有一定的意义。     

轴快流CO2激光器放电管结构的研究和设计

为了深入了解高功率轴快流CO2激光器放电管结构和内部流场对激光器工作性能的影响,得到更均匀稳定的辉光放电,采取对放电管内部工作气体的流动状态分别进行数值模拟和实验的方法,得到了关于放电等离子体的流场分布数据,数值模拟结果和实验结果一致,并对不同结构的管内的流场和放电表现进行了比较和分析,设计了一种新结构的放电管。结果表明,放电管内的流场特性影响着辉光放电的均匀性和稳定性,新设计的放电管内能得到更均匀的辉光放电,但还需进一步优化。     

平均功率3.3 kW高重复频率TEA CO2激光器

研制了一台平均功率3.3 kW横向激励大气压（TEA）CO2 激光器。激光器采用单节放电体积为5 cm×4 cm×90 cm的两节腔体串连的形式,印刷板电路预电离结构和闸流管开关放电电路,实现了激光器单脉冲能量输出,高重复频率工作。在重复频率150 Hz条件下,获得了3.3 kW平均输出功率。获得32.8 J单脉冲输出能量,电光转换效率达到15.4%。     

高功率轴快流CO2激光器控制系统的研制

为了提高高功率轴快流CO2激光器的稳定性和智能化程度,以满足激光加工的需要,采用可编程逻辑控制器和尾镜取样功率稳定技术,研制出了以西门子可编程逻辑控制器为核心的高功率轴快流CO2激光器控制系统,并在4kW轴快流CO2激光器上进行了实验验证,取得了气压稳定度、功率稳定度、放电波形以及激光模式等实验数据,气压波动小于±50Pa,功率稳定度达到±0.1%,并可实现连续、脉冲、超脉冲放电。结果表明,该套控制系统可以满足高功率轴快流CO2激光器的控制需求,提高了高功率轴快流CO2激光器的稳定性和智能化程度。     

脉冲预电离非自持纵向放电CO2激光器

研究了脉冲预电离的非自持纵向放电CO2激光器。采用了一种新颖的螺旋形横向脉冲预电离结构。激光器的主放电和输出功率由外加的预电离脉冲控制,可省去限流电阻。最大电光转换效率达19%。     

高功率轴快流CO2激光器的数值模拟进展

综述了国内外高功率轴快流CO2激光器数值模拟的研究进展。分别从理论方程、计算方法、计算结果3方面对已有的数值模拟进行了比较和分析,重点探讨了理论模型的组成形式、物理意义和近似条件,分析了不同计算方法的优缺点,列举了不同计算结果得出的激光器性能和参量之间的关系。最新结果表明,轴快流量激光器的性能和输出与放电管的结构,电极结构,管内的温度场、速度场、压力场和湍流状态等参量分布都有关。依据轴快流CO2激光器和计算机技术的发展,提出了轴快流CO2激光器数的数值模拟未来需要改进的方向,进而对基于新的计算平台的数值模拟结果在激光器的优化和设计方面的应用前景进行了展望。     

CO2激光器新的微波放电激发方式

松下技研公司推出CO2激光器新的微波放电激发方式。作为微波激发方式得到了世界最高水准的激光振荡效率。CO2激光器是在He、N2、CO2的混合气体中产生高电场，引起辉光放电，从而激发CO2分子。引起放电有三种方式：利用直流电压的直流方式；利用高频电压（兆赫带）的射频方式；利用微波（吉赫带）的微波方式。历来的微波激发方式不能在宽广区域形成均质放电的理由在于电场矢的方向单一。由电场加速的电子与He原子碰撞产生电离的过程雪崩般地反复引起放电，沿电场矢形成棒状放电区域。照片1正交电场方式的单个放电管组件（2个微波波导管…     

大流量轴快流CO2激光器放电管的对比分析

为了提高大功率轴快流CO2激光器的单根放电管的质量流量,得到更大的单根放电管的输出功率,对原有放电管的喷嘴、绕流环等结构进行了改进和优化,设计出一种新型的大质量流量放电管。采用数值模拟和实验验证的方法对新设计的放电管内的气体流动状态和输出功率进行分析,得到了工作气体的质量流量,放电管的输出功率以及工作气体在放电管内的流场分布,数值模拟结果和实验结果一致,并对不同结构的放电管的输出功率和流场分布进行了比较。结果表明,新设计的放电管的质量流量明显增加,单根放电管的输出功率提高,且能够得到均匀的辉光放电。     

用于高功率连续气体激光器的电流调节器

CO2或其他类型激光器的稳定频率运转需要稳定的调节率高的电源。如果激光电源具有高的调节率，则激光频率和等离子体阻抗之间的相互关系(光电流效应)就可以用于稳定连续CO2激光器的振幅和频率。图1是典型的0.75米CO2激光器放电管的电压-电流曲线。由图1可看出这两种应用都需要电流调节电源而不是电压调节电源。     

基于Pulser/Sustainer技术的高重复频率长脉冲紫外预电离TE CO2激光器

详细研究了一台增益体积为1.17 L,采用pulser/sustainer技术激励的高重复频率长脉冲紫外预电离TE CO2激光器的运转特性.激光器最高脉冲重复频率100 Hz,输出激光脉冲半峰全宽(FWHM)约23.0μs.实验记录了稳定辉光放电与有起弧的辉光放电时激光器的放电电压/电流波形;测量得到当sustainer充电电压从12 kV到30 kV时,激光器输出脉冲能量从约0.40 J变化上升至约4.0 J,观察到在同-sustainer充电电压下,激光器输出平均功率随脉冲重复频率线性变化;监测到激光器以sustainer充电电压22 kV,重复频率100 Hz连续工作10 min时,输出平均功率仅从最大257 W下降至247 W.实验数据表明,与采用低感快脉冲放电激励相比,这种新型的长脉冲TECO2激光器具有增益开关效应小、输出动态范围大、"起弧适应性"好、输出平均功率下降慢等特点.     

采用新型激励方式的长脉冲TE CO2激光器

从预电离的角度出发,对原有长脉冲TE CO2激光器的双高压开关抽运电路进行改进,设计了新型激励电路.在新激励电路中,加入一个合适大小的电感与激光器电极部分串联,为Pulser和Sustainer放电电路所共用.实验结果表明,改进电路能够增强预电离能力和增加激光脉冲能量.在一台增益体积1.17 L、气体混合比CO2:N 2:He=12.5:13、工作气压为40 kPa的TE CO2激光器中,改进电路比原来电路增加激光出达61%.文章给出了详细实验数据并作了简单理论分析.     

紫外预电离TEA CO2激光器放电过程的数值模拟

建立了一数值模型模拟紫外预电离TEACO2激光器的放电过程。结合放电电路分析了激光器的动态放电过程,综合考虑了气体放电中所发生的电离、吸附、复合等粒子反应,得到了电子密度、放电电流及放电电压随时间变化的波形,并将模拟结果与实验结果进行了对比。此外,还模拟并分析了放电回路中部分参量对放电特性的影响,获得了有利于激光器稳定放电的条件。     

紫外预电离TEA CO2激光器的实验研究

介绍了采用火花针紫外预电离高重复频率TEA CO2激光器系统的结构及其实验研究结果.该激光器的脉冲放电行为由旋转火花开关和高压脉冲触发器进行控制,并通过自动翻转电路实现对称张氏电极之间的均匀辉光放电.通过改变激光器工作气体气压、充气配比及注入能量,测量单脉冲输出能量.实验结果表明,激光器的输出能量及电光转换效率随CO2或N2充气压改变存在最佳点,最佳点与注入能量有关.输出能量及电光转换效率与总充气压呈线性关系.该激光器在单脉冲放电条件下比在高重复频率时能够注入更多的能量和充入更高的气压,脉冲能量最大输出可达53J以上,经过进一步地参数优化,该激光器最高的电光转换效率达到17%以上.     

计算流体力学在CO2激光器换热器设计中的应用

为了提高轴快流CO2激光器换热器设计的灵活性、缩短研发周期、降低成本,采用计算流体动力学方法对换热器内部流场和热交换过程进行了分析。根据分析结果设计出流阻为154.5Pa、换热量为8888.5W的换热器。由4kW轴快流CO2激光器的运行试验证明,采用计算流体动力学法设计的换热器满足激光器的运行需求。结果表明,计算流体动力学法是一种精确、高效的轴快流CO2激光器换热器的设计方法。     

CW CO2激光器PIE预电离技术的研究

本文对ＰＩＥ预电离技术及其应用进行了理论探讨和实验研究，证明了ＰＩＥ预电离可以降低大功率横流ＣＯ＿２激光器放电的Ｅ／Ｎ值，增大ｐｄ值，降低起辉电压，提高放电区注入功率密度，是提高大功率横流ＣＯ＿２激光器放电稳定性和输出功率的一种很有效的方法。     

光泵浦的N2激光器

联合飞机研究所发要了一项以CO2激光迢动预电离的氮扩散放电而泵浦氮激光器的技术。预电离是由邻接于圆柱形激活物质的两排小弧光灯使氮光电离而完成的。氮气室由峰值功率高达50兆瓦的CO2激光进行末端泵浦。     

PC全固态激光器及各类新型激光器

掺氢溴化亚铜激光器动态阻抗的研究 *陈　钢　潘佰良　姚志欣(浙江大学物理系 ,杭州 310 0 2 7)重点用固定比例的氖氢混合气体研究和比较了掺 H前后激光器的光电脉冲波形和等离子体动态阻抗。实验装置采用普通倍压充电通过闸流管放电电路。放电电压用 Tektronix P60 15 A高压探头跨接于激光放电管电极测量 (阳极接地 ) ,放电电流用 Pearson Model 4 10脉冲电流转换器套接在激光放电管阳极引线上探测 ,快响应光电二极管测光脉冲波形。实验分别在纯氖气和掺 H2 %、2 .5 %的氖氢混合气体稳定流动的情况下进行 ,激光器稳定工作时 ,测量激光管…