一种封闭光路系统气体置换结构及方法与流程

1.本发明涉及高能激光技术领域，具体涉及一种封闭光路系统气体置换结构及方法。


背景技术：

2.高功率激光发射系统中通道热效应已成为影响光束质量、制约作用效能的关键问题。激光在通道内部传输过程中，内部气体分子和粒子特别是水汽分子会吸收激光能量而被加热，同步产生热效应并引入像差，导致高功率激光系统光束质量恶化。
3.库德光路作为高功率激光发射系统的导光光路，通过平面反射镜将激光光束方向进行折转，改变光束方向。激光在库德光路通道中传输的距离长达几米甚至数十米，是高功率激光发射系统重点研究热效应问题的光路通道。为了改善库德光路通道中的热效应问题，报道较多的还是在轴向通入流动的低吸收系数气体。由于开放式的轴向吹气方案在工程实现上难度较高，通常需要在封闭通道内注入干燥氮气的方式以控制光路通道中热量积累。
4.目前，为控制通道内气流速度和分布，采用低流速的单一进出气管方式进行气体置换，存在腔内气流分布不均匀气流速率不可控、置换效率低以及气体消耗量大等问题。
5.故需要提出更为合理的技术方案，解决现有技术中存在的技术问题。


技术实现要素：

6.至少为克服其中一种上述内容提到的缺陷，本发明提出一种封闭光路系统气体置换结构及方法，通过进行气体的导流结构对进入光路的气体进行分流引导，使气流进入封闭光路通道更为均匀，且整个换气过程湍流强度低、气流速率可控、置换时间短和气体消耗量小。
7.为了实现上述目的，本发明公开的气体置换结构可采用如下技术方案：
8.一种封闭光路系统气体置换结构，应用于封闭光路中，包括：
9.封闭光路通道，设置有进气口和出气口；
10.若干导流结构，分别设置于进气口和出气口处；导流结构包括至少三层连续间隔设置的导流件，导流件内部为气体腔，且相邻导流件之间连通设置有若干分流结构；最前和最后的导流件上分别设置进气结构和出气结构，并用于连通封闭光路或气流通路。
11.上述公开的气体置换结构，旨在为封闭光路提供均匀的干燥气体，使进入封闭光路的气体在高能激光环境下避免出现热效应影响激光的传播。导流结构使气流能够均匀的进入到封闭光路内，经过导流结构的引导避免了湍流情况，且能够快速高效的完成气体的置换，能够提高高能激光封闭光路的传递效果。
12.进一步的，在本发明中，导流件作为气体的引导结构，可采用的方案并不被唯一限定，此处进行优化并举出其中一种可行的选择：所述的导流件包括导流板。采用如此方案时，导流板可提供较宽的面结构，内部的气体腔使得气体变得均匀，便于后续进入封闭光路
内维持稳定的光路环境。
13.进一步的，在本发明中，导流件的结构规则，以便于消除气流中的湍流，具体的，此处进行优化并举出其中一种可行的选择：所述的导流件厚度均匀并且厚度为5mm～50mm，且导流件长度和宽度至少为导流件厚度的10倍。采用如此方案时，导流件的长宽控制能够提供足够宽大的气体腔面积，更便于消除气体的湍流。
14.进一步的，在本发明中，进气结构和出气结构并不被唯一限定，可采用多种可行的方案，此处进行优化并举出其中一种可行的选择：所述的进气结构与出气结构包括若干导流气孔，且进气结构和出气结构对称。采用如此方案时，导流气孔可在外侧引导件的端面均布，如此能够使进入引导件的气体更加均匀，减少初始湍流，流经后续引导件后更加平稳；还能够稳定控制封闭光路通道内压力分布，有效降低压力非均匀分布导致气体密度非均匀分布的相位畸变问题。
15.再进一步，本发明对导流气孔的设置继续优化，举出如下一种可行的选择：所述的导流气孔的数量为1～10，且导流气孔的孔径为5mm～15mm。采用如此方案时，导流气孔的数量越多，孔径越小，进入引导件的气流约平稳，气体的流量及换气时间越可控。
16.进一步的，在本发明中，分流结构用于将一个引导件内的气流引导至相邻的引导件内，使气流更加致密以消除湍流，达到平稳的层流状态，此处对分流结构进行优化并举出如下一种可行的选择：所述的分流结构包括若干阵列分布的分流气管，分流气管的管径小于导流气孔的孔径。采用如此方案时，分流气管在相邻两个引导件之间均匀分布。
17.进一步的，在本发明中所采用的分流气管管径在适宜的范围内，具体的，所述的分流气管的管径为1mm～10mm。
18.进一步的，为了提高气体引导分流的效果，对分流结构的布置进行改进，此处举出如下一种可行的选择：靠近进气结构的相邻导流件之间设置的分流气管数量，大于等于靠近出气结构的相邻导流件之间设置的分流气管数量。
19.再进一步，此处对分流结构进一步优化并举出其中一种可行的选择：靠近进气结构的相邻导流件之间设置的分流气管的管径，大于等于靠近出气结构的相邻导流件之间设置的分流气管管径。
20.上述内容公开了气体置换装置，本发明还公开了气体置换的方法，现进行说明。
21.一种封闭光路系统气体置换方法，应用上述的气体置换结构，通过导流结构向封闭光路的进气口供气，气体经过封闭光路后由出气口排除并经另一导流结构排走。
22.与现有技术相比，本发明公开技术方案的部分有益效果包括：
23.本发明采用多层式阵列排布气孔的导流装置进行气体置换，能够在封闭光路通道内形成较为均匀的气流分布，降低气体流速，有效预防封闭通道内由于气流速率较大导致微小粉尘吸附到镜面的风险，能够控制通道内部湍流强度大小，有效降低气体密度非均匀分布导致的相位畸变；能够增加有效气体置换面积，缩短置换时间，节约气体消耗量。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，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，还可以根据这
些附图获得其它相关的附图。
25.图1为导流结构一个视角的整体结构示意图。
26.图2为导流结构另一视角的整体结构示意图。
27.图3为导流结构的层结构示意图。
28.图4为封闭光路通道进气口处设置导流装置的整体结构示意图。
29.图5为封闭光路通道进气口处设置导流装置的侧视结构示意图。
30.图6为导流装置、对比导流装置和实际导流装置相对湿度的时间依赖曲线。
31.图7为导流装置、对比导流装置和实际导流装置速度的时间依赖曲线。
32.上述附图中，各个标号的含义为：
33.1、进气结构；2、分流结构；3、导流件；4、封闭光路通道；5、导流结构；6、出气口。
具体实施方式
34.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
35.针对现有的高能激光传输过程中，传输路径累积的热效应导致激光恶化的情况，现通过实施例进行优化改进以克服现有技术中的缺陷。
36.实施例
37.如图1～图5所示，本实施例提供一种封闭光路系统气体置换结构，应用于封闭光路中，包括：
38.封闭光路通道4，设置有进气口和出气口6；
39.若干导流结构5，分别设置于进气口和出气口处；导流结构5包括至少三层连续间隔设置的导流件3，导流件3内部为气体腔，且相邻导流件3之间连通设置有若干分流结构2；最前和最后的导流件3上分别设置进气结构1和出气结构，并用于连通封闭光路或气流通路。
40.优选的，本实施例中的封闭光路通道4包括四个腔体通道和五个子管道组成的z字形通道。
41.上述公开的气体置换结构，旨在为封闭光路提供均匀的干燥气体，使进入封闭光路的气体在高能激光环境下避免出现热效应影响激光的传播。导流结构5使气流能够均匀的进入到封闭光路内，经过导流结构5的引导避免了湍流情况，且能够快速高效的完成气体的置换，能够提高高能激光封闭光路的传递效果。
42.在本实施例中，导流件3作为气体的引导结构，可采用的方案并不被唯一限定，本实施例进行优化并采用其中一种可行的选择：所述的导流件3包括导流板。采用如此方案时，导流板可提供较宽的面结构，内部的气体腔使得气体变得均匀，便于后续进入封闭光路内维持稳定的光路环境。
43.优选的，在本实施例中，导流件3的结构规则，以便于消除气流中的湍流，具体的，本实施例进行优化并采用其中一种可行的选择：所述的导流件3厚度均匀并且厚度为5mm～50mm，且导流件3长度和宽度至少为导流件3厚度的10倍。采用如此方案时，导流件3的长宽控制能够提供足够宽大的气体腔面积，更便于消除气体的湍流。
44.在本实施例中，进气结构1和出气结构并不被唯一限定，可采用多种可行的方案，此处进行优化并举出其中一种可行的选择：所述的进气结构1与出气结构包括若干导流气
孔，且进气结构1和出气结构对称。采用如此方案时，导流气孔可在外侧引导件的端面均布，如此能够使进入引导件的气体更加均匀，减少初始湍流，流经后续引导件后更加平稳；还能够稳定控制封闭光路通道4内压力分布，有效降低压力非均匀分布导致气体密度非均匀分布的相位畸变问题。
45.本实施例对导流气孔的设置继续优化，参考如下一种可行的选择：所述的导流气孔的数量为1～10，且导流气孔的孔径为5mm～15mm。采用如此方案时，导流气孔的数量越多，孔径越小，进入引导件的气流约平稳，气体的流量及换气时间越可控。
46.优选的，本实施例中导流气孔的数量为四。
47.在本实施例中，分流结构2用于将一个引导件内的气流引导至相邻的引导件内，使气流更加致密以消除湍流，达到平稳的状态，此处对分流结构2进行优化并采用如下一种可行的选择：所述的分流结构2包括若干阵列分布的分流气管，分流气管的管径小于导流气孔的孔径。采用如此方案时，分流气管在相邻两个引导件之间均匀分布。
48.优选的，在本实施例中所采用的分流气管管径在适宜的范围内，具体的，所述的分流气管的管径为1mm～10mm。
49.为了提高气体引导分流的效果，对分流结构2的布置进行改进，此处采用如下一种可行的选择：靠近进气结构1的相邻导流件3之间设置的分流气管数量，大于等于靠近出气结构的相邻导流件3之间设置的分流气管数量。
50.优选的，本实施例对分流结构2进一步优化并采用其中一种可行的选择：靠近进气结构1的相邻导流件3之间设置的分流气管的管径，大于等于靠近出气结构的相邻导流件3之间设置的分流气管管径。
51.实施例2
52.上述实施例的内容公开了气体置换装置，本实施例公开一种气体置换的方法，现进行说明。
53.一种封闭光路系统气体置换方法，应用上述的实施例的气体置换结构，通过导流结构5向封闭光路的进气口供气，气体经过封闭光路后由出气口6排除并经另一导流结构5排走。
54.列举一实例以说明采用该气体置换结构进行气体置换的效果。
55.封闭光路通道内主要导致气体热效应的气体成分是水汽，本案例主要讨论水汽置换问题。本案例采用高功率激光发射系统的封闭库德光路通道作为讨论对象，激光传输距离3米，被置换气体为相对湿度50％的空气，置换气体为高纯氮气，封闭光路通道初始压力为0.1mpa(大气压)，相对湿度指标为1％。
56.本案例选取三种气体置换模型作为讨论对象，第一种置换模型主要包含进出气管和库德光路通道部分；第二种置换模型主要包含进出气管、无分层设计导流装置和库德光路通道部分；第三种置换模型主要包含进出气管、有分层设计导流装置和库德光路通道部分。第一种气体置换方法较为常规使用，第二种气体置换装置及方法用于对比分层设计的优劣性，第三种气体置换装置及方法为实施例1中的气体置换结构。三种气体置换结构及方法在本案例中分别以无导流装置、对比导流装置和实际导流装置代称。
57.本案例包括以下步骤：
58.(1)结构建模
59.实际导流装置设计的结构建模步骤如下：
60.第一步，依据高功率激光发射系统装备环境供气可行性，确定进出气气管尺寸，所述四根进出气气管直径均为10mm，气管长度不作讨论重点对象。
61.第二步，为了形成低流速且较为均匀的气流场分布，在进气端后设计第一层为长方体导流板，导流板厚度为20mm，导流板长宽与厚度比例为10：1。
62.第三步，在第一层导流板后设计均匀阵列排布的第一层分流气管，分流气管数量为20个，管径为5mm，长度为5mm；
63.第四步，在第一层分流气管后设计第二层导流板，第二层导流板与第一层导流板结构参数一致；
64.第五步，在第二层导流板后设计均匀阵列排布的第二层分流气管，本案例仿真计算所述第二层分流气管结构参数与第一层分流气管保持一致；
65.第六步，在第二层分流气管后设计第三层导流板，第三层导流板与第二层导流板结构参数一致；
66.第七步，建立封闭光路结构通道，通道主要包括五段子管道通道和四个腔体通道，腔体通道内包含镜片结构域；
67.第八步，在第四个腔体通道顶部排布四根出气气管，出气气管结构参数与进气气管结构参数一致。
68.本案例所用于对比仿真的结构建模如下所述，无导流装置主要包含进出气管和库德光路通道部分；对比导流装置主要包含进出气管、无分层设计导流装置和库德光路通道部分，无分层设计导流装置的无分层设计导流装置为单层设计，厚度为实际导流装置模型三层导流板和两层分流气管的总厚度之和。
69.(2)仿真计算
70.激光传输距离3米，被置换气体为相对湿度50％的空气，置换气体为高纯氮气，封闭光路通道初始压力为0.1mpa(大气压)，相对湿度指标为1％。
71.无导流装置、对比导流装置和实际导流装置的气体置换模型流量分别为0.25l/min、0.25l/min和5l/min；计算时间分类为180min、210min和60min。
72.(3)计算结果
73.气体置换过程中，由于进气气流速度的不均匀性易导致封闭光路内气流的非均匀分布，在局部产生气体密度分布不均、温度分布不均，进而产生折射率的非均匀分布，影响激光在气体中的传输，最终引入光程差。气体置换效率、置换过程中封闭光路内速度均匀性与最大值最为本方案的评价指标。
74.图6的相对湿度与时间的依赖曲线表明，无导流装置、对比导流装置和实际导流装置达到相对湿度1％所需的置换时间分别为161min、189min和45min。图7的速度最大值与时间依赖曲线表明，无导流装置、对比导流装置和实际导流装置等三种方法分布光路气流速度最大值均控制在0.1m/s以下。计算结果表明，采用分层导流设计的实际导流装置具有置换效率高、速度分布均匀和可控等优点。
75.以上即为本实施例列举的实施方式，但本实施例不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本实施例的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本实施例的
保护范围的限制，本实施例的保护范围应当以权利要求书中界定的为准。