一种高压大电流单脉冲放电开关及高能准分子激光器

技术领域

本发明涉及于激光器技术领域，尤其涉及一种高压大电流单脉冲放电开关及高能准分子激光器。

背景技术

现阶段，激光技术正在快速发展，激光产业也变得越来越重要，而气体激光器具有输出功率高、维护成本低等特点，使得它保持着很大的激光器市场份额，特别是在激光加工和材料处理领域，高功率脉冲气体激光器因为峰值功率高、与材料作用耦合效率高，使得它还是激光加工和材料处理的主要工具；具备输出紫外波长的准分子激光器，则是固体激光器所无法替代的品种。高功率脉冲气体激光器，是能量光电子产业的重点，是激光加工和材料处理的主要工具。

高功率脉冲气体激光器，特别是紫外器件，针对于加工和材料领域的应用需求，主要向着大功率、窄脉宽、单色性、稳定性方面发展；而更有广泛性应用需求的则主要是大功率技术方向，其他的三个方向相对比较针对于一些特殊应用领域，不象大功率指标那样具有普遍性的需求；这种普遍性需求的原因很简单，那就是需要激光能量提升加工效率和质量，需要激光能量改变或改善结构。

准分子激光光子能量高，可以直接使分子或原子断键；与材料作用的耦合系数高；可以聚焦到很小的焦斑等，准分子激光具有的一系列独特性能，使得这种激光器有着重要的应用价值，是一种重要的科研和生产工具。但准分子激光技术难度高、系统复杂，一方面是因为准分子基团寿命短，难以实施有效率的激励，导致电光效率低下、激光器功率较低；另一方面，准分子激光需要较高的工作气压，这就导致正常放电激励的困难；再有卤素气体不利于放电的特性、腐蚀性和毒性，也对激光器系统提出很高的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高压大电流单脉冲放电开关及高能准分子激光器，解决上述准分子激光不能稳定实施高效率的放电激励的技术问题。

本发明采用的技术手段如下：一种高压大电流单脉冲放电开关，所述开关为密闭结构，充有气压恒定的高压气体；

所述开关包括壳体、第一电极、第二电极、旋转电极和旋转轴；

所述旋转轴贯通于所述壳体；

所述旋转电极设置于所述旋转轴上；

所述第一电极和第二电极位于所述旋转电极两侧，并分别伸出所述壳体外；所述旋转电极与所述第一电极之间为第一放电间隙；

所述旋转电极与所述第二电极之间为第二放电间隙；

所述第一放电间隙和第二放电间隙两侧均为放电等离子体扩散缓冲区；

所述壳体上设有气口，所述气口用于气体的进出。

优选地所述第一电极、第二电极与所述旋转电极的对应面分别设有电极盘，所述电极盘为耐高温金属材料；所述旋转轴为不锈钢材料。

优选地，所述壳体为绝缘筒，呈工字形。

优选地，所述壳体内壁敷设有陶瓷片。

优选地，所述第一电极和第二电极呈圆柱结构；所述旋转电极呈圆柱或球体结构。

优选地，所述壳体的中心轴线和所述旋转电极中心轴线重合；所述第一电极、第二电极与旋转电极对称分布。

优选地，当所述第二电极连接高压、所述第一电极接地以及所述旋转电极连接高压脉冲时，所述的高压大电流单脉冲放电开关处于导通状态，所述高压脉冲控制所述的高压大电流单脉冲放电开关的通断。

本发明还提供了一种单脉冲低频次放电激励高能准分子激光器，包含本发明提供的任一项所述的高压大电流单脉冲放电开关。

优选地，还包括储气腔，所述储气腔上设有四个储能放电腔，四个所述放电腔对称布设于所述储气腔圆周，所述放电腔均由本发明提供的任一项所述的高压大电流单脉冲放电开关控制导通。

优选地，四个所述放电腔共用一个光路系统。

本发明的有益效果：

采用本发明所提供的一种高压大电流单脉冲放电开关，所述高压大电流单脉冲放电开关为密闭结构，充有气压恒定高压气体，使得所述高压大电流单脉冲放电开关可在一定电压下工作；通过所述气口将壳体内气体加以自动充放，循环，冷却和过滤，使再次放电前放电区域的气体具有良好的绝缘状态；所述缓冲区给放电区高温高压气体一个扩散空间，有利于放电区的绝缘恢复和减少电极损失。当所述第二电极连接高压、所述第一电极接地以及所述旋转电极连接高压脉冲时，所述的高压大电流单脉冲放电开关处于导通状态；所述旋转电极在施加高压脉冲后，所述旋转电极与第一电极之间的第一放电间隙被击穿，击穿之后，施加在第二电极上的高压就有能力击穿旋转电极和第二电极之间的第二放电间隙，从而实现了第二电极到第一电极之间的击穿过程；实现具有高工作电压、快放电、高导通功率的高压大电流单脉冲放电开关。利用所述高压大电流单脉冲放电开关，可以获得一种可以输出高能量激光的激光器。

另外，采用四个放电腔同步激励方式，解决放电区域处于高电压、大电流、大体积放电条件下不容易均匀稳定放电激励的问题。所述的高压大电流单脉冲放电开关结合四个储能放电腔，形成了一种单脉冲低频次放电激励高能准分子激光器，可以输出500～1000焦耳级能量的激光。本发明可以推动准分子激光器件的发展，也为激光加工和材料处理提供了一种新的技术手段。

附图说明

图1为本发明的一种高压大电流单脉冲放电开关的结构示意图；

图2为本发明的实施例2的示意图；

图3为本发明的一种单脉冲低频次放电激励高能准分子激光器的电路系统示意图；

图4为本发明的一种单脉冲低频次放电激励高能准分子激光器光路系统示意图；

图中所示：1.壳体、2.第一电极、3.第二电极、4.旋转电极、5.旋转轴、6.第一放电间隙、7.第二放电间隙、8.缓冲区、9.第一气口、10.第二气口、11.放电腔、12.电极盘、101.开关、102.储气腔、103.光路。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，一种高压大电流单脉冲放电开关，所述高压大电流单脉冲放电开关为密闭结构，充有高压气体，通过气压控制单元保持其气压恒定，使得所述高压大电流单脉冲放电开关可在一定电压下工作；所述高压大电流单脉冲放电开关包括壳体1、第一电极2、第二电极3、旋转电极4和旋转轴5；所述壳体1为绝缘筒，呈工字形，壳体1内壁敷设有陶瓷片，所述陶瓷片提高绝缘性能，也便于溅射物的清理。所述旋转轴5为不锈钢材料、贯通于所述壳体1；所述旋转轴5的转动采用磁耦合方式获得开关外的电机动力。所述旋转电极4嵌套于所述旋转轴5上；所述第一电极2和第二电极3位于所述旋转电极4两侧，并分别伸出所述壳体1外；所述第一电极2、第二电极3与旋转电极4的对应面分别设有电极盘12，所述对应面为放电强化面，所述电极盘12为耐高温金属材料，所述电极盘12采用耐高温材料分别钎焊于所述第一电极2、第二电极3表面，所述电极盘12耐高温烧蚀；其余面为紫铜材料；所述旋转轴为不锈钢材料。所述第一电极2和第二电极3呈圆柱结构,所述旋转电极4呈圆柱或球体结构,在本实施例中，所述旋转电极4为圆柱结构，在另外一个实施例中，所述旋转电极4呈球体结构；所述旋转电极4选择圆柱体或球体型面，所述第一电极、第二电极3则与之对应选择弧曲面或球曲面，使电极间距取值一致。所述壳体1的中心轴线和所述旋转电极4中心轴线重合；所述第一电极2、第二电极3与旋转电极4对称分布。所述旋转电极4与所述第一电极2之间为第一放电间隙6；所述旋转电极4与所述第二电极3之间为第二放电间隙7；所述第一放电间隙6和第二放电间隙7两侧均为放电等离子体扩散缓冲区8，所述第一放电间隙6和第二放电间隙7均为狭缝区域，工作中会形成高温高压气体，所述缓冲区8则给这些高温高压气体一个扩散空间，有利于放电区的绝缘恢复和减少电极损失。所述壳体1上设有气口，所述气口包括第一气口9和第二气口10，所述第一气口9和第二气口10分别位所述旋转轴5端面两侧。所述第一气口9和第二气口10用于气体的进出，所述第一气口9和第二气口10通过外置的循环装置将壳体1内气体加以循环冷却和过滤，使再次放电前放电区域的气体具有良好的绝缘状态。当所述第二电极3连接高压、所述第一电极2接地以及所述旋转电极4连接高压脉冲时，所述的高压大电流单脉冲放电开关处于导通状态，所述高压脉冲控制所述的高压大电流单脉冲放电开关的通断。

在本实施例中，所述高压大电流单脉冲放电开关具体参数如下:电极盘直径为80mm，厚度为10mm；旋转电极4直径为60mm，高度为80mm；电极间距为3.5mm；工型绝缘筒壳体1小筒内径为120mm，大筒内径为260mm；充装气体为N₂，充气压力为3Mpa。

工作原理：当所述第二电极3连接高压、所述第一电极2接地以及所述旋转电极4连接高压脉冲时，所述的高压大电流单脉冲放电开关处于导通状态。所述旋转电极4在施加高压脉冲后，所述旋转电极4与第一电极2之间的第一放电间隙6被击穿，击穿之后，施加在第二电极3上的高压就有能力击穿旋转电极4和第二电极3之间的第二放电间隙7，从而实现了第二电极3到第一电极2之间的击穿过程；实现具有高工作电压、快放电、高导通功率的高压大电流单脉冲放电开关。

实施例2

如图1～4所示，一种单脉冲低频次放电激励高能准分子激光器，包括开关101、放电腔11和储气腔102，所述开关101同实施例1的一种高压大电流单脉冲放电开关，所述放电腔11的数量为四个，四个所述放电腔11均匀设于所述储气腔102圆周，每个放电腔11由一个开关101控制导通；四个所述放电腔11共用一个光路系统，所述光路系统包括四个光路103，每个光路103与一个放电腔11相对应，四个光路103形成一个光路系统，所述光路系统如图4所示。

如图2所示，四个放电腔11的设计原理：所述单脉冲低频次放电激励高能准分子激光器，其放电区域处于高电压、大电流、大体积放电条件下，采用四个放电腔11同步激励方式，可解决大体积不容易均匀稳定放电激励的问题。由于追求高能量输出，在单次或低频率下工作，四个放电腔11的激光输出串联成一个光路系统，将输出功率提高至接近4倍的水平。如果只采用一个放电腔，想要达到这四个放电腔11的效果，放电腔的长度将会过长，欲保持这样一个超长度放电腔均匀放电，难以实现，而且超长度放电腔(6～8米)也难以实现。因此科学设计四个放电腔11使得激光器能够在高电压、大电流、大体积情况下稳定放电。在本实施例中，所述放电腔11具体参数如下:其电极的长度为2000mm，宽度为60mm；主放电间距为45mm。

在本实施例中，激光器的工作电压为45kV，触发电压为50kV，频率为1～2Hz；波长为308nm，单脉冲能量为500J。在另外的实施例中，可实现500～1000J范围内的单脉冲能量。

工作原理：如图3所示，所述单脉冲低频次放电激励高能准分子激光器的电路系统为典型的C-C快放电激励电路，其中C0、C1均为一组电容，C0为主储能电容，C1为并联在激光器激光腔两侧的峰化电容，C1电容可以实现快速放电过程，有利于激光输出；L为充电电感。开关101不导通时，电容C0处于充电状态，直流高压通过电感L，给电容C0充满电，由于电感两端电压为零，所以该阶段电容C1没有充电。当开关101在触发脉冲控制下导通时，开关101、电容C0和激光腔就构成一个放电回路，储能电容C0先向峰化电容C1充电，然后C1向激光腔放电，激励激光腔的激光气体，产生高功率、高能激光。

综上所述，采用本发明所提供的一种高压大电流单脉冲放电开关，所述高压大电流单脉冲放电开关为密闭结构，充有高压气体，通过气压控制单元保持其气压恒定，使得所述高压大电流单脉冲放电开关可在一定电压下工作；所述第一气口9和第二气口10通过外置的循环装置将壳体1内气体加以循环冷却和过滤，使再次放电前放电区域的气体具有良好的绝缘状态；所述缓冲区8给放电区高温高压气体一个扩散空间，有利于放电区的绝缘恢复和减少电极损失。当所述第二电极3连接高压、所述第一电极2接地以及所述旋转电极4连接高压脉冲时，所述的高压大电流单脉冲放电开关处于导通状态。所述旋转电极4在施加高压脉冲后，所述旋转电极4与第一电极2之间的第一放电间隙6被击穿，击穿之后，施加在第二电极3上的高压就有能力击穿旋转电极4和第二电极3之间的第二放电间隙7，从而实现了第二电极3到第一电极2之间的击穿过程；实现具有高工作电压、快放电、高导通功率的高压大电流单脉冲放电开关。利用所述高压大电流单脉冲放电开关，可以获得一种可以输出高能量激光的激光器。

另外，采用四个放电腔11同步激励方式，解决放电区域处于高电压、大电流、大体积放电条件下不容易均匀稳定放电激励的问题。所述的高压大电流单脉冲放电开关结合四个储能放电腔11，形成了一种单脉冲低频次放电激励高能准分子激光器，可以输出500～1000焦耳级能量的激光。本发明可推动准分子激光器件的发展，也为激光加工和材料处理提供了一种新的技术手段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。