一种阵列式放电元件及阵列电极型脉冲放电气体激光器

1.本发明涉及高功率气体激光器技术领域，更具体的说是涉及一种阵列式放电元件及阵列电极型脉冲放电气体激光器。


背景技术：

2.以激光器为代表的能量光电子产业已经成为现代高技术产业的重要门类。在激光领域，尽管固体激光技术取得了极大的发展，但是气体激光器也一直作为一种重要的高功率激光器件在获得技术进步和应用的发展，其原因在于气体激光器所具有的功率高、使用成本较低、维护简单、寿命长等特点，特别是脉冲激光的破坏机理是复杂得多的力学效应和热效应的结合，能更有效地将其能量传入靶中，并且可以产生连续波激光辐射不能得到的冲击效应，使得此种激光器成为特种加工的有力工具。
3.目前，高功率脉冲气体激光器商品化器件功率主要在2kw-5kw水平，而满足切割、改性等相关应用需要激光功率在万瓦左右，所以距离市场对其功率的需求还有很大差距，因此高功率脉冲气体激光器件的发展，主要还是在于如何提高输出功率及工作稳定性。对于脉冲制式的放电激励激光器而言，提高激励能量可以实现高功率输出；提高重复频率可以实现输出功率的增加；压缩激光的脉宽也可以实现激光作用效果的提升；但这些都无疑会加大放电系统的负荷，使其难以保持均匀稳定的放电状态，这样就需要新的结构来满足大电流下的均匀放电和稳定工作。对于高功率脉冲气体激光器，主放电电极的状态成为决定激光性能的重要部分，很大一部分的激光器运行劣化都是由于电极的局部烧蚀，局部型面改变，多处的定点放电等形成异常放电而导致。
4.因此，如何通过改变电极工作条件来实现高功率激光输出是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种阵列式放电元件及阵列电极型脉冲放电气体激光器，
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种阵列式放电元件，包括金属基板、多个单元电极和多个预电离针；所述金属基板上设置有多个呈阵列排布的电极安装孔；所述单元电极一一对应安装在每个所述电极安装孔中；所述预电离针一一对应套设于所述单元电极的内部中心位置。
8.进一步的，所述单元电极为筒式结构，所述单元电极的顶部具有环形挡片；所述环形挡片的内环面积为外环面积的1/3。
9.进一步的，还包括绝缘层，所述绝缘层设置在所述单元电极内壁和所述预电离针之间。
10.进一步的，所述单元电极和所述预电离针均由耐高温、耐烧蚀的合金材料制成，所述绝缘层的材质为陶瓷。
11.进一步的，所述单元电极的筒体部分的材质为不锈钢。
12.进一步的，所述预电离针的高度不高于所述单元电极的内壁。
13.进一步的，所述单元电极的内筒直径为6mm，外径为10mm，高为15mm，相邻两个单元电极间距2mm；所述预电离针直径为2mm，高度为12mm；所述单元电极与所述预电离针之间设置相应尺寸的绝缘层厚为2mm，高度为10mm。
14.进一步的，所述金属基板的尺寸为：宽60mm，长1000mm，高度25mm；所述金属基板上布设有400个单元电极；沿所述金属基板的宽度方向每列排布5个单元电极，沿所述金属基板的长度方向每行排布80个单元电极。
15.一种阵列电极型脉冲气体激光器，其特征在于，包括阵列式放电元件、峰化电容、多个储能电容和地电极，所述放电元件与所述多个储能电容对应连接，所述峰化电容一端与所述放电元件连接，另一端与地电极连接。
16.本发明的有益效果：
17.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种一种阵列式放电元件及阵列电极型脉冲放电气体激光器，预电离针在电极平面的均匀分布，可以使电极空间的的电离电荷更趋于均匀分布，达到整体均匀预电离的效果，有利于主放电的均匀进行；
18.筒电极的针式尖端结构也有利于放电的引发和进行，使得每个筒式电极成为一个必然的放电单元，这样组合起来形成的放电主体能量分布就会比较均匀，就会抑制异常放电现象的形成。
19.起到稳定放电作用的还有筒式电极的耐高温、耐烧蚀合金电极材料，电极型面的有效保持就是稳定放电的保证，而传统的电极形式，由于电极尺寸较大，不可能用合金电极材料加工而成，也就无法达到本例电极所具有的优异的放电性能。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
21.图1附图为本发明提供的一种阵列式放电元件俯视图；
22.图2附图为本发明提供的一种阵列式放电元件侧视图；
23.图3附图为本发明提供的一种阵列式放电元件的单元电极结构示意图；
24.图4附图为本发明提供的一种阵列电极型脉冲气体激光器电路图。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.如图1、图2和图3，本发明实施例公开了一种阵列式放电元件，包括金属基板、多个
单元电极1和多个预电离针3，金属基板上设置有多个电极安装孔，电极安装孔为阵列式分布结构，在每个阵列式电极安装孔中安对应安装一个单元电极1，在每个单元电极1的内部中心位置对应安装一个预电离针3。
27.其中，一个单元电极1与一个预电离针3构成一个针单元，针单元通过机械方式固定在金属基板上的电极安装孔内；电极安装孔在金属基板上均匀分布，因此，预电离针3在金属基板的电极平面上也是均匀分布的，可以使极空间的的电离电荷更趋于均匀分布，达到整体均匀预电离的效果，有利于主放电的均匀进行。
28.在另一实施例中，单元电极1为筒式电极，单元电极1包括顶部圆面，在顶部圆面上设置有圆形通孔，形成顶部圆环，圆形通孔面积为顶部圆面的1/3；在本实施例中，筒式电极的尖端结构也有利于放电的引发和进行，使得每个筒式结构成为一个必然的放电单元，这样形成的放电主体能量分布就会比较均匀，从而抑制异常放电现象。
29.在本实施例中，还包括绝缘层2，绝缘层2设置在单元电极1内壁和预电离针3之间。
30.在本实施例中，筒式电极的筒体部分采用不锈钢加工而成，顶部环形部位及预电离针3采用耐烧蚀合金材料加工而成；筒电极与预电离针3之间的绝缘层2为陶瓷材料加工而成。
31.在另一实施例中，单元电极1和预电离针3均由耐高温、耐烧蚀的合金材料制成；筒式电极的耐高温、耐烧蚀合金电极材料能够起到稳定放电作用，电极型面的有效保持就是稳定放电的保证，高温电极材料的冶炼需要的技术及设备条件极高，一般的工业生产，只能制备出较小尺寸的线材或棒材，能够满足高功率激光激励需要的电极尺寸是根本无法生产的，这个受高温合金的冶炼技术和设备的双重制约。也就无法达到本例电极所具有的优异的放电性能。
32.在另一实施例中，预电离针3的高度不高于单元电极1的内壁高度。
33.在另一实施例中，筒式电极内筒直径6mm，外径10mm，高15mm，筒间距2mm；预电离针3直径2mm，高度12mm；筒电极与预电离针3之间用相应尺寸的绝缘筒壁厚2mm，高度10mm。
34.在另一实施例中，金属基板的尺寸为：宽60mm，长1000mm，高度25mm；金属基板的宽度方向为每行5个单元电极1，长度方向为每行80个单元电极1，总单元电极1数量400个。
35.如图4，本发明还公开了一种阵列电极型脉冲气体激光器，包括阵列式放电元件、峰化电容、多个储能电容和地电极，放电元件与多个储能电容对应连接，峰化电容一端与放电元件连接，另一端与地电极连接。
36.其中包括，n个储能电容c1-cn，每个储能电容接n/n个单元电极1，其中，n为总电级数量；cp为峰化电容；hv为电压源。工作时，开关sw导通，c1
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cn通过预电离针3放电，在电极中心区域形成电离气体，导致主电极间气体阻抗骤降，实现电容cp在主电极之间的放电。筒式电极自身的结构就有利于放电的开展，加上预电离结构的引导，使得单元电极1的放电得到有效的保证，这样总体电极就会保持一种均匀放电状态，使放电的不确定性得到有效遏制。同时，金属基板的表面采用耐烧蚀特性，保证了大导通能量下的稳定性。
37.峰化电容cp电容也是一个阵列，是在电极两侧均布的两组电容，不是单独的一个电容。峰化电容cp的机理，是在主放电发生时，即c1导通时，先行向峰化电容cp充电，而不是在所示电极间放电，这个过程会使激励脉冲有更好的陡度，以提高电-光转换效率。电感l的作用是为c1充电，放电时，由于是纳秒脉冲，这个电感相当于开路，对放电不造成影响。
38.在另一实施例中，可用作阵列式地电极。主电容cn充电完成时是上正下负，通过sw触发放电时，电容cn的正端接激光器的地电极，即放电时，接地的电极在放电瞬间为高压电极，上电极为地电极。放电过程中，主放电电容cn先行向cp充电，而后由cp在主电极间执行放电的过程。由于阵列放电元件先行存在向cp充电的过程，这会导致在电极阵列位置即整个地电极表面形成均匀的等离子体，这对随后cp的主放电是一个预电离过程，对主放电的快速建立和均匀发生有重要意义。
39.本发明可以用于500w级准分子激光器及5000w级脉冲co2激光器上，可以提升高功率脉冲放电气体激光器的产业化程度。
40.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
41.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。