閉環放電激勵脈沖重頻氣體激光器及其運行方法與流程

本發明涉及放電激勵氣體激光技術領域，尤其是涉及基于靜電除塵原理的具有自清潔光窗的閉環放電激勵脈沖重頻氣體激光器及其運行方法。

背景技術：

放電激勵脈沖重頻氣體激光器通常采用閉合循環方式，利用氣體循環裝置實現放電區域氣體快速置換，消除前一個脈沖放電對后續脈沖的影響。然而為了保證激光器的電絕緣，激光器光窗一般采用向外突起結構，激光器運行過程中光窗內的氣體不能通過氣體循環裝置實現有效置換，放電生成的大量微粒聚集在激光器光窗區域。這些微粒會附著在窗口玻璃內表面，污染激光窗口玻璃，減小窗口玻璃的透過率，致使激光器輸出能量降低。

技術實現要素：

為了解決放電激勵脈沖重頻氣體激光器的窗口玻璃污染問題，本發明提供一種基于靜電除塵原理的自清潔光窗及閉環放電激勵脈沖重頻氣體激光器。

本發明的技術解決方案是提供一種閉環放電激勵脈沖重頻氣體激光器，包括激光器主體1、氣體循環裝置4、氣體供給單元7與真空單元6，上述激光器主體1包括進/出氣端口，上述氣體循環裝置4與激光器主體1的進/出氣端口連通，上述氣體供給單元7與真空單元6均連接在氣體循環裝置4上，其特殊之處在于：

還包括自清潔光窗2，上述自清潔光窗2包括窗口玻璃11與光窗清潔器；

上述光窗清潔器包括消能箱10與氣體過濾器9；

上述消能箱10包括一端傾斜的筒體101，上述筒體內部徑向設置有多個消能片12；上述窗口玻璃11密封固定在筒體101的傾斜端，筒體101的另一端與激光器的出射端密封固連；筒體101上開設輔助氣流接口103；

上述氣體過濾器9包括腔體98，設置于腔體98上的進氣口91與出氣口92，上述進氣口91通過氣管與氣體循環裝置4連通，上述出氣口92通過氣管與消能箱的輔助氣流接口103連通。

優選地，上述氣體過濾器的腔體內從進氣口至出氣口依次設置多層金屬網93、靜電除塵電離區94、靜電除塵收集區95、濾網96；

還包括輸出電壓可調的供電單元、位于腔體內壁的絕緣支撐90與位于靜電除塵收集區下方的灰斗97；

上述靜電除塵電離區包括多層板狀地電極和網狀高壓電極，所述地電極和高壓電極交叉平行放置，高壓電極安裝在絕緣支撐90上，與供電單元相連；地電極安裝在腔體98上，地電極和高壓電極平行于氣體流動方向；

上述靜電除塵收集區包括板狀地電極和板狀高壓電極，地電極和高壓電極交叉平行放置，高壓電極安裝在絕緣支撐90上，與高壓直流電源99相連；地電極安裝在腔體98上，地電極和高壓電極平行于氣體流動方向。

優選地，上述多層金屬網93為不銹鋼網；靜電除塵電離區高壓電極為不銹鋼網，地電極為不銹鋼板；靜電除塵收集區高壓電極與地電極均為不銹鋼板；濾網采用錳鎳合金纖維織成。

優選地，上述消能片102為中心帶孔的圓片，還包括一個尾柄107，通過尾柄107將消能片102固定在消能箱的筒體101上。

優選地，消能箱筒體101的兩端設置有法蘭，窗口玻璃11通過法蘭密封安裝在筒體的傾斜端；筒體另一端通過法蘭密封安裝在激光器主體1上。

優選地，上述氣體循環裝置4包括兩端與激光器主體1連通的氣體循環管道41、位于管道內的風機42與柵網43；從風機到激光器主體方向，循環管道采用橫向(光軸方向)擴張結構、縱向(垂直于光軸方向)收縮結構。

優選地，激光器主體采用不銹鋼金屬框架，一面安裝有尼龍板，激光器的脈沖放電泵浦源5連接在尼龍板上。

優選地，上述氣體供給單元7包括氣源71、通過氣管、閥門與氣源連通的氣體流量控制器72及用于監測激光器內部工作氣體壓力的氣壓表73，其中氣源為不銹鋼壓力容器；上述真空單元6包括真空泵61、壓力傳感器62和真空顯示儀63。

優選地，輔助氣流接口15位于靠近窗口玻璃的一端；光窗清潔器的筒體為不銹鋼圓筒，消能片為不銹鋼圓片。

本發明還提供一種上述的放電激勵氣體激光器運行方法，包括以下步驟：

第一，調整激光器諧振腔；

第二，真空單元給激光器抽真空；

第三，氣體供給單元給激光器內充入滿足要求的工作氣體；

第四，開啟激光器氣體循環裝置，工作氣體在氣體循環裝置中流動；

第五，開啟脈沖放電泵浦源，激光器重頻放電；

第六，在激光運行過程中，氣管從風機出口處引出一定流量的工作氣體，該氣流在氣體過濾器中經靜電除塵和兩級過濾除去前一個脈沖放電產生的大量微粒，轉變成清潔的工作氣體，并送至激光器光窗，在光窗內部形成紊流；

第七，關閉放電激勵氣體激光器。

閉環放電激勵脈沖重頻激光器運行時，氣體循環裝置驅動激光器內部工作氣體循環流動，自清潔光窗從氣體循環裝置中風機出口處引出一股氣流，通過氣體過濾器除塵凈化后，輸送到消能箱中，在激光器光窗內形成紊流，減弱放電形成微粒向光窗的動能，使這些微粒不能到達激光器窗口玻璃內表面，實時清潔窗口玻璃，防止窗口玻璃被污染。

本發明具有的有益技術效果如下：

1、本發明采用了基于靜電除塵原理的氣體過濾器及自清潔光窗，有效凈化了激光工作氣體，可為激光器光窗提供清潔的輔助氣流并在不開腔的情況完成放電激勵脈沖重頻氣體激光器窗口玻璃內表面的清潔，不破壞激光器的運行環境。

2、本發明從放電激勵脈沖重頻氣體激光器的氣體循環裝置中引出用于清潔光窗的輔助氣流，不需要額外供給輔助氣流，簡化激光器結構。

3、本發明引用激光器內部工作氣體作為清潔光窗用的輔助氣流，不改變激光器工作氣體的組分和壓力，不影響激光器內部氣體狀態。

4、本發明中自清潔光窗的輔助氣流大小與放電頻率和放電電壓自相關，不需要進行額外控制。

5、本發明實現了放電激勵脈沖重頻氣體激光器光窗自清潔，放電微粒不能到達激光器窗口玻璃內表面，在激光器運行過程中實時保護窗口玻璃不受污染，有利于激光器輸出能量穩定性。

附圖說明

圖1是閉環放電激勵脈沖重頻氣體激光器結構主視示意圖；

圖2是閉環放電激勵脈沖重頻氣體激光器結構側視示意圖；

圖3是自清潔光窗結構示意圖；

圖4是窗口及消能箱結構示意圖；

圖5是基于靜電除塵原理的氣體過濾器結構示意圖。

附圖標記為：1-激光器主體，2-自清潔光窗，3-諧振腔，4-氣體循環裝置，41-氣體循環管道，42-風機，43-柵網，5-脈沖放電泵浦源；6-真空單元，61-真空泵，62-壓力傳感器，63-真空顯示儀，7-氣體供給單元，71-氣源，72-氣體流量控制器，73-氣壓表，8-尼龍板，9-氣體過濾器，90-絕緣支撐，91-進氣口，92-出氣口，93-多層金屬網，94-靜電除塵電離區，95-靜電除塵收集區，96-濾網，97-灰斗，98-腔體，99-高壓直流電源，10-消能箱，101-筒體，102-消能片，103-輔助氣流接口，104-固定法蘭，105-窗口連接法蘭，106-凹槽，107-尾柄，11-窗口玻璃，12a、12b、12c-氣體截止閥門，13a、13b、13c-氣管。

具體實施方式

如圖1所述，在閉環放電激勵脈沖重頻氣體激光器中，激光器主體1采用不銹鋼金屬框架，尺寸為700mm×180mm×80mm，一面安裝有尼龍板8，作為激光器脈沖放電泵浦源5的連接端。兩個自清潔光窗2分別安裝在激光器主體1的兩端，與激光器主體1共同構成激光腔室。脈沖放電泵浦源5連接到尼龍板上，用于給激光器提供重頻高電壓泵浦脈沖。諧振腔3作用在于形成腔內激光振蕩，實現激光輸出，其由一對直徑50mm的光學鏡片組成，前鏡對輸出激光部分透過，后鏡對輸出激光全反射。

如圖2所述，氣體循環裝置4連接在激光器主體1進/出氣端口法蘭上，與激光器主體組成閉合的氣體循環回路，用于驅動工作氣體沿圖中箭頭所示的方向在激光器內循環流動，其包括氣體循環管道41、風機42和柵網43。從風機到激光器主體方向，循環管道采用橫向擴張結構(光軸方向)、縱向收縮結構(垂直于光軸方向)，與風機相連的端口直徑為300mm，與激光器主體相連的接口尺寸為640mm×48mm。風機選用軸流風機，為氣體循環流動提供動力，端口直徑為300mm，轉速最大8000轉/分鐘，額定流量540m³/h。柵網用于勻化氣流，放置在風機出口和激光器主體入口附近，采用蜂窩網結構，厚度20mm。

氣體供給單元7用于給激光器充入工作氣體，包括氣源71、氣體截止閥門12a和12b、氣體流量控制器72、氣管13a和氣壓表73。氣源71為不銹鋼氣體壓力容器，體積40l，最大壓力15mpa，充有激光器工作氣體，出口氣壓0～10atm可調。氣體截止閥門12a和12b的通徑為3mm，接口為標準d6接口。氣體流量控制器72用于控制氣體供給單元氣體的流速，選用氣體質量流量控制器，流量調節范圍0～200slm。氣管13a為外徑6mm的金屬氣管。氣壓表73為數字壓力表，用于監測激光器內部工作氣體壓力。

真空單元6用于激光器抽真空，包括真空泵61、氣體截止閥門12c、壓力傳感器62、真空顯示儀63和氣管13b。真空泵的抽速為4l/s，接口為kf25型；氣體截止閥門12c的通徑為20mm，接口為kf25；氣管13b為直徑25mm的波紋管；壓力傳感器62為zj52金屬電阻規管，探測極限真空為10^-1pa，與真空顯示儀相連，監測激光器的真空度。

圖3所示的自清潔光窗包括光窗清潔器和窗口兩個部分，其作用是使工作氣體與外界隔離，且讓激光高效傳輸通過。窗口由窗口玻璃11、固定法蘭104和窗口連接法蘭105組成(圖4)，窗口玻璃直徑60mm；固定法蘭104為不銹鋼，外徑80mm，中心通孔直徑50mm，四個直徑5mm的安裝孔均布在法蘭上；窗口連接法蘭105采用尼龍材料，一端為斜面。窗口玻璃通過固定法蘭104和窗口連接法蘭105安裝在光窗清潔器上，窗口安裝傾斜角度為7度。光窗清潔器包括消能箱10、氣管13c和氣體過濾器9，氣管13c將一股氣流從激光器氣體循環管道引出，通過氣體過濾器后送至消能箱10，氣管13c為直徑12mm的金屬氣管。

如圖4所述，消能箱10包括金屬外殼筒體101、輔助氣流接口103和消能片102。金屬外殼筒體101用于設置輔助氣流接口103和安放消能片組102，采用不銹鋼圓筒結構，其外徑為80mm，內徑為50mm，長50mm，兩側端面各有一個固定法蘭104，每個固定法蘭104上分布有密封槽和多個安裝孔，金屬外殼筒體101通過兩端的法蘭與激光器主體和窗口密封連接。輔助氣流接口103靠近激光窗口，用于連接氣管13c，引入輔助氣流。為了連接方便，且具有良好的氣密性，輔助氣流接口103采用標準d12型卡套氣管接口形式，通徑為12mm，采用不銹鋼材料。消能片102主要有兩個作用：一是擾動氣體流動，有利于氣體在金屬腔體內形成紊流，二是與金屬外殼筒體101共同構成用于沉積微粒的凹槽106，它由三個消能片構成，三個消能片均為中心帶孔的不銹鋼圓片，其外徑為50mm，內徑為30mm，厚度為2mm。每個消能片有一個尾柄107，尾柄上有一個直徑4mm的孔，通過m3螺釘固定在不銹鋼金屬外殼上。

圖5為基于靜電除塵原理氣體過濾器，包括方形外腔體98、進氣口91、多層金屬網93、靜電除塵電離區94、靜電除塵收集區95、絕緣支撐90，灰斗97、末端濾網96、出氣口92和高壓直流電源99。方形外腔體98采用不銹鋼材料，壁厚2mm，尺寸為200mm×160mm×40mm，用于安放多層金屬網93、靜電除塵電離區94、靜電除塵收集區95、灰斗97和末端濾網96。進氣口91和出氣口92分別設置在方形外腔98的兩端，采用標準d12型卡套氣管接口形式，通徑為12mm，采用不銹鋼材料，與氣管13c連接。多層金屬網93為4層80目的不銹鋼網組成，每層間隔3mm，其作用在于對氣體進行初次過濾，消除較大尺寸的微粒，勻化氣流，同時消除氣體中的殘余電荷。靜電除塵電離區94的用途是通過靜電電離氣體，從而使氣體中的微粒帶電，它由多層板狀地電極和網狀高壓電極交叉平行放置組成，高壓電極和地電極間距為5mm，高壓電極為80目的不銹鋼網，安裝在絕緣支撐90上，與高壓直流電源99相連；地電極為厚1.5mm的不銹鋼板，安裝在方形外腔體98上，地電極和高壓電極平行于氣體流動方向，沿氣流方向尺寸均為30mm。靜電除塵收集區95緊貼靜電除塵電離區94安放，其作為通過靜電吸附原理收集帶電的微粒，同樣采用地電極和高壓電極交叉平行安裝結構，地電極和高壓電極均為1.5mm厚的不銹鋼板，高壓電極安裝在絕緣支撐90上，連接到高壓直流電源，地電極安裝在方形外腔體98上。沿氣流方向的尺寸為60mm。靜電除塵收集區95下方設有灰斗97，用于存放灰塵。末端濾網96采用錳鎳合金纖維織成，具有強化靜電捕集和過濾攔截微粒的雙重功效，其厚度為15mm。高壓直流電源為直流高壓電源，輸出電壓0～10kv可調。

帶自清潔光窗的閉環放電激勵脈沖重頻氣體激光器運行過程如下：

第一，激光器諧振腔準備就緒；

第二，真空單元給激光器抽真空；

第三，氣體供給單元給激光器內充入滿足要求的工作氣體；

第四，脈沖放電泵浦源準備就緒；

第五，激光器氣體循環裝置開啟，工作氣體在氣體循環裝置中流動；

第六，開啟脈沖放電泵浦源，激光器重頻放電，同時輸出重頻激光脈沖；

第七，在激光運行過程中，氣管從風機出口處引出一定流量的工作氣體，該氣流在氣體過濾器中經靜電除塵和兩級過濾除去前一個脈沖放電產生的大量微粒，轉變成清潔的工作氣體，并送至激光器光窗，在光窗內部形成紊流，消弱放電微粒飛向窗口的動能，使放電微粒不能到達并附著在窗口玻璃內表面，并將這些放電微粒吹離光窗區域，實時清潔激光器光窗；

第八，關閉放電激勵氣體激光器。

本發明不局限于上述具體實施方式，比如激光器主體不限于上述尺寸和結構；氣體循環管道不限于外循環方式；風機不限于軸流風機和上述接口尺寸；諧振腔鏡直徑不限于50mm；激光器氣源不限于40l；激光器光窗不限于圓筒形，窗口玻璃直徑不限于60mm，光窗清潔器的金屬外殼的材料不限于不銹鋼；消能片組中消能片的個數不限于3個，消能片的形狀不限于空心圓片，消能片的材料不限于不銹鋼；氣管接口不限于標準d12型卡套氣管接口形式；氣管不限于外徑12mm；氣體過濾器不限于方形結構，尺寸不限于200mm×160mm×40mm，多層金屬網的材料不限于不銹鋼網，層數不限于4層；靜電除塵區不限于上述具體尺寸，電離區和收集區不限于分離形式；末端濾網不限于錳鎳合金纖維網。