技术领域
[0001] 本
发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种高
平均功率横向激励
大气压的二
氧化
碳激光器，是一种热容气体激光器。
背景技术
[0002] 高重复
频率、高平均功率横向激励大气压二氧化碳激光器(TEACO2激光器)在高能激光物理研究、激光推进技术研究和激光防雷电技术研究等技术领域有重要的应用。现有的TEA CO2激光器，其平均功率最大可达万瓦数量级。由于在电激励技术上的进步，进一步大幅度提高平均功率已无大的障碍，重要的技术障碍是激光器的冷却技术。现有的冷却技术有两种。第一种是封闭气体循环流动型，第二种是气体开放流出型，各有其优缺点。然而对于进一步将平均功率大幅度提高到100kW甚至1MW量级则都不切实用。因此冷却技术成为发展大功率TEA CO2激光器的技术“
瓶颈”。
[0003] 封闭气体循环流动型激光器是在激光器腔体内部设置
风机和
水冷
散热器，风机在腔体内产生高速循环气流，将放电区产生的热气体输送到
散热器中，经
过冷却后再输送回放电区。如此循环不已，达到产生高脉冲重复频率、高平均功率激光的目的。万重怡等采用这种方法在一台紫外光预电离型TEA CO2激光器上获得了12kW平均功率激光输出(Chongyi Wan et al，Proc.SPIE，2005，5777：426-432)。虽然采用这种方法还可继续提高激光输出功率，但是由于用于产生高速气流的风机需要大约三分之一的电功率，且体积和重量庞大，因此对进一步大幅度提高激光功率不是一个好的选择。另一方面，气体开放流出型TEA CO2激光器是一种最直接的冷却方式：激光混合气体从高压气瓶经减压
阀后流过放电区，放电产生的“废气”直接排出到大气中。G.J.Dezenbery等采用这种方法在一台
电子束控制CO2激光器上获得了28kW平均功率激光输出(G.J.Dezenbery，et al.，AIAA-81-1131)。这种方法简单易行，但在大功率激光器情况下由于消耗大量稀有贵重气体，且造成环境污染，因此也不是一个好的选择。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种热容气体激光器，带有高压储气瓶、储气袋、气体
压缩机、高压气体输出阀
门组和高压气体返回阀门组，在放电区内形成大气压高速气流以便进行高重复频率脉冲放电产生高平均功率激光，并且激光气体可以循环使用，是具有高重复频率、高平均功率的横向激励大气压二氧化碳气体激光器(TEA CO2激光器)。
[0005] 为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
[0006] 一种热容气体激光器，包括激光器腔体、主放电
电极、预电离器、激光
谐振腔、高压储气瓶组、高气压输出阀门组、气体
喷嘴组、导流板、高压脉冲放电电源、
真空泵、真空阀门，各部件按常规连接；其还包括储气袋、高气压返回阀门组和
气体压缩机；在激光器腔体一侧设有气体喷嘴组，相对的另一
侧壁上设有一长条形通孔，长条形通孔与储气袋密闭式相连通；在高压储气瓶和激光器腔体之间有两路连接：一路，激光发射过程中，激光混合气体从气体喷嘴组高速喷射出，流经激光器腔体，流入储气袋，使气袋膨胀；另一路，激光发射结束后，由气体压缩机将储气袋内的激光混合气体经过高气压返回阀门组缓慢地压缩回高压储气瓶组，供激光器下一次试验时使用，此时储气袋缩小回到原状态，折叠收藏；折叠收藏时储气袋仍通过长条形通孔和激光器腔体维持密闭式相连通。
[0007] 所述的热容气体激光器，其所述长条形通孔与储气袋密闭式相连通，是长条形通孔为一长条形真空密封
法兰开口，储气袋是一个柔性的可折叠的密封袋，有一个长条形真空密封法兰开口，两法兰开口相互密封对接后连通。
[0008] 所述的热容气体激光器，其所述激光混合气体是二氧化碳激光混合气体、
一氧化碳激光混合气体或准分子激光混合气体其中之一。
[0009] 所述的热容气体激光器，其还包括一气体清洁还原装置，位于气体压缩机输入口与激光器腔体相连的大气压/真空管路中，以将激光气体的成份还原成纯净的状态。
[0010] 所述的热容气体激光器，其所述的气体清洁还原装置是一个容器，内含有除氧剂。
[0011] 所述的热容气体激光器，其所述的气体清洁还原装置容器中含有铂催化剂、或含有氧化
锡和氧化锰催化剂。
[0012] 所述的热容气体激光器，其还包括一
热交换器，位于气体压缩机输入口与激光器腔体相连的大气压/真空管路中，以使激光混合气体冷却。
[0013] 所述的热容气体激光器，其所述的热交换器为水冷式热交换器。
[0014] 本发明热容气体激光器能满足应用中对高平均功率CO2激光输出的需求，在高能激光物理研究、激光推进技术研究和激光防雷技术研究等技术领域有重要的应用前景。本发明的技术也适用于准分子激光器和一氧化碳激光器等气体激光器。
附图说明
[0015] 图1(a)是本发明热容气体激光器的正视图横截面示意图；
[0016] 图1(b)是本发明热容气体激光器的侧视图横截面示意图。
具体实施方式
[0017] 为进一步说明本发明的特征及结构，以下结合附图对本发明作详细描述。
[0018] 请参阅图1(a)和图1(b)，热容气体激光器是一种高重复频率、高平均功率横向激励大气压二氧化碳气体激光器，包括激光器腔体1，主放电电极2，预电离器3，激光谐振腔4，高压储气瓶组5，高气压输出阀门组6，气体喷嘴组7，前导流板8，后导流板9，储气袋10，气体压缩机11，高气压返回阀门组12，高压脉冲放电电源13，
真空泵14，真空阀门15等。其中主放电电极2为一对成型电极，电极面型和电极间距设计保证能在电极间形成一个均匀的放电区。预电离器3在主放电之前进行预电离脉冲放电，能在主放电区产生分布均匀的预电离电子，以保证后续的主放电为均匀的
辉光放电，避免形成
电弧。激光混合气体储存于高压储气瓶组5中，典型的激光混合气体是二氧化碳、氮和氦气，其混合比可根据具体的放电条件和所需的激光参量由试验而改变，典型的数值例是二氧化碳∶氮∶氦＝1∶1∶8。
高压气瓶组5中的每一个气瓶各有一个高气压输出阀门和一个高气压返回阀门。高压气瓶组5与激光器腔体1之间有两路连接：第一路是高压气瓶组5通过多数个高气压管道和气体喷嘴组7连通，管道中设有高气压输出阀门，气体喷嘴组7安装于激光器腔体1的一侧，均匀分布排列正对放电区。高压气瓶组5、高气压输出阀门组6和气体喷嘴组7中的高压气瓶、高气压输出阀门、气体喷嘴都是多数个，其中，第一种情况：高压气瓶、高气压管道、高气压输出阀门、气体喷嘴一一对应，数目相同。第二种情况：高压气瓶、高气压管道、高气压输出阀门、气体喷嘴四者数目并不一定相同。如高压气瓶、高气压管道、高气压输出阀门数小于气体喷嘴数，其中，高气压输出阀门组6中的每一个阀门先与一个输出总高气压管道连通，然后该输出总管道再经若干分管道和气体喷嘴连通。第二路是高压气瓶组5、高气压返回阀门组12、气体压缩机11与激光器腔体1连通。由于气体压缩机11只需一台或少数几台，而高气压返回阀门组12是多数个，因此高气压返回阀门组12中的每一个阀门通过高气压管道先和一个总高气压管道连通，然后该总高气压管道再和气体压缩机11连通，气体压缩机11再通过一大气压/真空管道与激光器腔体1连通(气体压缩机11通常还自带一个高气压输出阀门和一个大气压/真空输入阀门)。气体压缩机11与激光器腔体1连通的大气压/真空管道口的
位置可以有很大的灵活性，在图中是位于相对于气体喷嘴组7的激光器腔体1的另一侧底面。
[0019] 储气袋10是一个柔性的可折叠的密封袋，有一个长条形真空密封法兰开口。开口的长度大于主放电电极2的长度，高度大于电极间距。在激光器腔体1相对于气体喷嘴组7的另一侧壁上设有一个同样大小的长条形真空密封法兰开口，与储气袋10的法兰开口密闭式相连通。储气袋10采用标准的气球制造技术生产，类似于氦气球或氢气球的制造技术，所用材料为
橡胶类柔性材料。当袋中气压为
负压时，储气袋体积接近零，可以折叠紧贴激光器腔体1侧壁收藏。折叠收藏时储气袋10仍通过长条形通孔和激光器腔体1维持密闭式相连通。当储气袋10中充气略大于1大气压时，储气袋10体积不断随充气量的增加而增大，直至额定设计体积仍维持袋中气压略大于1大气压。进一步往储气袋10内充气将使袋内气压上升导致储气袋10破裂。储气袋10的额定设计体积等于高压储气瓶组5中按大气压计算的贮存的激光气体总量(见后面给出的设计例)。
[0020] 激光器开始运转前，高压气瓶组5中储存有高气压激光气体，高气压输出阀门组6和高气压返回阀门组12处于关闭状态，开启真空泵14，抽空其他各部分的杂气，然后关闭真空阀门15。
[0021] 当激光器开始运转时，打开高气压阀门组6，激光气体从气体喷嘴组7高速流出，经过前导流板8进入放电区，在放电区内形成大气压高速气流。启动高压脉冲电源13，主放电电极2在放电区产生高重复频率脉冲放电，通过激光谐振腔4产生高平均功率激光输出。在放电区进行脉冲放电后，激光气体通过后导流板9流进储气袋10中。储气袋10在气流的冲击下膨胀。激光发射结束后，关闭高气压输出阀门组6，打开高气压返回阀门组12，将高压气瓶组5转换连接到气体压缩机11，启动压缩机将储气袋10中的激光气体缓慢地压回高压储气瓶组5，然后关闭高气压返回阀门组12，高压储气瓶组5中的高气压激光气体可供激光器下一次试验使用。储气袋10重新缩小回到原状态，便于收藏。在将激光气体从储气袋10压缩回高压储气瓶组5里的过程中可经过一个小型气体清洁还原装置(图中没示出)，气体清洁还原装置位于气体压缩机11输入口与激光器腔体1相连的大气压/真空管路中，使激光气体的成份还原成纯净的状态；气体清洁还原装置是一个含有除氧剂的容器，或是一个含有铂催化剂的容器，或是一个含有氧化锡和氧化锰催化剂的容器。在将激光气体从储气袋10压缩回高压储气瓶组5的过程中也可经过一个小型热交换器(图中没示出)使激光气体冷却。小型热交换器位于气体压缩机11输入口与激光器腔体1相连的大气压/真空管路中。热交换器可为水冷热交换器。这两个小型装置可根据情况酌情增减，可同时设置，或选其一。
[0022] 本发明热容气体激光器使用储气袋10储存放电后的激光气体，储气袋10的形状不限于球形，可以是圆柱形、矩形或球形等多种形状，根据实际使用的场地情况而选用。储气袋10的制造技术即气球的制造技术，是一项高度发展了的成熟的技术，在此不再赘述。国内外盛大节日中采用的色彩缤纷的气球就是用了这种技术。巨大的飞船利用气球产生的空气浮
力升上高空，飘洋过海。气球制造技术的可靠性是经过实践检验证明过的。
[0023] 在本发明中，高压储气瓶组5中的气压通常在100大气压左右，在经过高气压输出阀门组6和气体喷嘴组7后进入放电区时产生高速气流，其压力略大于1大气压，与外界大气压基本平衡。具体的压力值随纬度升高而减小，在标准大气压下约为1bar，这正是处于大功率TEA CO2激光器的最佳工作气压范围之内。激光气体经过膨胀后
温度降低，称之为“
气动冷却”效应，这也正是提高CO2激光器
能量转换效率最希望的情况。
[0024] 本发明中由激光脉冲放电产生的剩余热量是储存在激光气体媒质中并随气体流入储气袋10中，储气袋10中的气体经过自然冷却或经过小型热交换器冷却，缓慢地回到室温状态。在一次激光发射过程中所产生的激光总能量正比于储存于高压储气瓶组5中的激光气体媒质总量，也正比于储气袋10膨胀后的体积。本发明定义这种激光器为“热容气体激光器”。
[0025] 设计所需高压储气瓶组5中的激光气体总量和储气袋10膨胀后的体积可按下面公式估算：
[0026] 在一次激光发射过程中所产生的激光总能量＝所需的激光气体总量(即储气袋膨胀后的体积)X激光器的体积效率。
[0027] 例如，设计激光器输出平均功率为100kW，累计工作时间为100秒，则在一次激光发射过程中所产生的激光总能量为10兆焦
耳。又设激光器的体积效率为50焦耳/升，则储气袋10膨胀后的体积应为200立方米(长、宽、高分别为10米、5米和4米)。再设高压储气瓶压力为100大气压，则高压储气瓶组5的总体积为2立方米。
[0028] 如果，设计激光器输出平均功率为1兆瓦，累计工作时间仍为100秒，则储气袋10膨胀后的体积应为2000立方米(长、宽、高分别为20米、20米和5米)。高压储气瓶组5的总体积为20立方米。
