提高横向激励大气压CO2激光器重复频率的装置及方法与流程

提高横向激励大气压co2激光器重复频率的装置及方法
技术领域
1.本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种提高横向激励大气压co2激光器重复频率的装置及方法。


背景技术：

2.横向激励大气压co2激光器，又称tea(transversely excited atmospheric)co2激光器，是一种采用脉冲放电激励的激光器，输出波段为9-11μm，具有良好的大气传输性能及较高的脉冲峰值功率(mw级)，被广泛运用于激光加工、光谱探测、光电对抗等领域。随着近些年各领域发展的进一步需求以及应用场合的多样化，提高teaco2激光器的重复频率已成为亟待解决的技术难题。
3.tea co2激光器在每次放电过程中会产生气体分解、杂质气体等不利条件，需要短暂的恢复时间。实现重频工作必须在下一次放电开始前完成对放电区内气体的替换(或称之为清洗)，否则将大大降低下一次放电的稳定性，导致起弧。
4.在无主动气体循环条件下，激光器脉冲放电产生的等离子体冲击效应以及自然扩散效应对电极间气体有一定的清洗作用，但其可达到的重复频率有限，一般＜5hz。而在加入主动气体循环条件下，如传统方案中借助风机等强制气体达到一定流速，可实现更高重频工作，但由于随着气体流速的增加风阻成平方关系增加、风机装置功率、体制重量限制等一系列原因，提高重复频率存在技术瓶颈。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种提高横向激励大气压co2激光器重复频率的装置及方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
6.为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种提高横向激励大气压co2激光器重复频率的装置，包括：
7.腔体，为中空结构，起支撑保护作用；
8.环形放电单元阵列，设置在腔体内部，包括若干个放电单元，每个放电单元均包括一对放电电极；
9.尾镜，设置在每一对放电电极放电区的轴线上，作为反射镜；
10.可旋转的角反射镜，设置在腔体外部远离尾镜的一侧；以及
11.输出镜，设置在腔体内部的腔体轴线上，与尾镜和角反射镜构成谐振腔。
12.作为本发明的另一个方面，还提供了一种提高横向激励大气压co2激光器重复频率的方法，采用如上所述的装置，包括：
13.控制角反射镜以同一方向旋转，当角反射镜旋转至第一对电极的轴线位置上时，该对电极轴线上的尾镜通过角反射镜与输出镜形成谐振腔，此时通过控制脉冲放电起始时刻，控制泵浦放电区内的工作气体产生最大粒子数反转，经谐振腔振荡放大后形成激光并从输出镜处输出；
14.控制角反射镜继续以同一方向旋转，到达下一对电极的轴线位置，再次使相应电极轴线上的尾镜通过角反射镜折转与输出镜形成谐振腔，此时通过控制脉冲放电起始时刻，泵浦放电区内的工作气体产生最大粒子数反转，经谐振腔振荡放大后形成激光并从输出镜处输出；
15.以此类推，通过旋转角反射镜，使不同的电极对依次放电产生激光输出，实现横向激励大气压co2激光器实现重复频率输出。
16.基于上述技术方案可知，本发明的提高横向激励大气压co2激光器重复频率的装置及方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：
17.1、本发明主要在于利用转动角反射镜与环形分布的电极阵列组成高速旋转的转折型谐振腔，通过电极的快速切换实现放电区气体的快速“更换”，实现tea co2激光器高重复频率输出；
18.2、本发明实现了无主动气体循环条件下，单腔体低重频工作的高倍数放大，通过增加阵列中的电极对数量(20对以上)，可将重复频率提升至百hz，可适用于低流速、高密度等气体环境，如高气压脉冲co2激光器；
19.3、本发明实现了有主动气体循环条件下激光器重复频率的倍增，解除了传统强制气体流动的方法中风阻对激光器重复频率的限制；
20.4、本发明可有效缓解或避免传统提高重复频率手段中所需的气体循环装置庞大、功耗增加等问题。
附图说明
21.图1是本发明实施例中提高横向激励大气压co2激光器重复频率的输出装置结构示意图；
22.图2是本发明实施例中环形电极阵列截面示意图。
23.附图标记说明：
24.1-放电单元，2-尾镜，3-角反射镜，4-输出镜，5-腔体。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
26.本发明公开了一种提高横向激励大气压co2激光器重复频率的装置，包括：
27.腔体，为中空结构，作为工作气体真空容器及起支撑保护作用；
28.环形放电单元阵列，设置在腔体内部，包括若干个放电单元，每个放电单元均包括一对放电电极；
29.尾镜，设置在每一对放电电极放电区的轴线上，作为反射镜；
30.可旋转的角反射镜，设置在腔体外部远离尾镜的一侧；以及
31.输出镜，设置在腔体内部的腔体轴线上，与尾镜和角反射镜构成谐振腔。
32.在本发明的一些实施例中，所述输出镜尾镜和角反射镜构成转折型谐振腔。
33.在本发明的一些实施例中，所述尾镜形成环形尾镜阵列。
34.本发明还公开了一种提高横向激励大气压co2激光器重复频率的方法，采用如上
所述的装置，包括：
35.控制角反射镜以同一方向旋转，当角反射镜旋转至第一对电极的轴线位置上时，该对电极轴线上的尾镜通过角反射镜与输出镜形成谐振腔，此时通过控制脉冲放电起始时刻，控制泵浦放电区内的工作气体产生最大粒子数反转，经谐振腔振荡放大后形成激光并从输出镜处输出；
36.控制角反射镜继续以同一方向旋转，到达下一对电极的轴线位置，再次使相应电极轴线上的尾镜通过角反射镜折转与输出镜形成谐振腔，此时通过控制脉冲放电起始时刻，泵浦放电区内的工作气体产生最大粒子数反转，经谐振腔振荡放大后形成激光并从输出镜处输出；
37.以此类推，通过旋转角反射镜，使不同的电极对依次放电产生激光输出，实现横向激励大气压co2激光器实现重复频率输出。
38.在本发明的一些实施例中，所述重复频率的数值等于单位时间内角反射镜经过并放电工作的电极对的数量。
39.以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
40.本实施例中通过采用环形电极阵列和利用角反射镜转折光路形成的u型旋转谐振腔提高tea co2激光器重复频率方法，采用的装置如图1所示，腔体5内部采用环形放电单元阵列布局(截面示意图如图2所示)，放电单元1每一对电极放电区的轴线上对应安装尾镜2，亦组成环形尾镜阵列。圆筒腔体轴线上安装输出镜4。腔体5的另一端外侧，安装有可围绕腔体轴线高速精确旋转的角反射镜3。角反射镜3由高速电机驱动，图1-2中箭头a为角反射镜旋转方向，当其旋转至特定角度时，圆筒轴线通过反射作用与电极放电区中心轴线呈u型相连，输出镜4-角反射镜3-尾镜2构成谐振腔，u型转折谐振腔激光光路如图1中光路b所示，此时放电单元1触发放电，激光经过角反射镜3后将沿着圆筒轴线得到该路的激光输出。
41.其中，环形放电单元阵列用于脉冲放电泵浦工作气体产生粒子数反转；尾镜作为谐振腔必备的两面腔镜中的反射镜；角反射镜在不同的角度选择对应不同的电极对，在某一对电极放电区的轴线位置将光轴偏转，使尾镜与输出镜通过光路折转连接为谐振腔。
42.采用如图1所示的装置，提高tea co2激光器重复频率方法，步骤如下：
43.控制角反射镜以同一方向旋转，当角反射镜旋转至第一对电极的轴线位置上时，该对电极轴线上的尾镜通过角反射镜转折与输出镜形成u形谐振腔，此时通过精确控制脉冲放电起始时刻，泵浦放电区内的工作气体产生最大粒子数反转，经谐振腔振荡放大后形成激光并从输出镜处输出。
44.控制角反射镜继续以同一方向旋转，到达下一对电极的轴线位置，再次使相应电极轴线上的尾镜通过角反射镜折转与输出镜形成谐振腔，此时通过精确控制脉冲放电起始时刻，泵浦放电区内的工作气体产生最大粒子数反转，经谐振腔振荡放大后形成激光并从输出镜处输出。
45.以此类推，通过快速旋转角反射镜，使不同的电极对依次放电产生激光输出，可实现tea co2激光器实现高重复频率输出。重复频率的数值等于单位时间内角反射镜经过并放电工作的电极对的数量。
46.具体地，假设电极阵列中有n对电极，角反射镜3旋转到达第一对电极轴线方向的
指定位置p1后，该对电极轴线上的尾镜通过角反射镜折转与输出镜形成第一个u型谐振腔(不局限于u形谐振腔)，此时激光器触发放电并出光。之后角反射镜继续旋转，并精确到达其他电极轴线方向上的指定位置p2、p3、...pn，形成第2、3、...n个谐振腔，依次完成触发放电和出光，直至旋转一周回到p1，此为1次完整循环。
47.上述结构在电极间无主动气体循环的情况下，单对电极的气体由于脉冲放电的扩散作用完成被动清洗，实现j赫兹(hz)低重频工作(一般j≤5)。当角反射镜在1s的周期内完成j次完整循环(即控制角反射镜旋转j圈)，每次循环轮流触发n对电极放电，整个激光器的重频可提升至n
×
j赫兹(hz)。
48.上述结构在电极间加入主动气体循环的情况下，单对电极的气体借助气流完成主动清洗，可实现m赫兹(hz)较高重频工作(一般可为几十至数百赫兹)。当角反射镜在1s的周期内完成m次完整循环(即控制角反射镜旋转m圈)，每次循环轮流触发n对电极放电，整个激光器的重频可提升至m
×
n赫兹(hz)。即提高n倍。
49.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。