[其他]無氦全封閉橫流連續二氧化碳激光器

在審

• 申請號: 101986000000643
• 申請日: 1986-01-30
• 公開（公告）號: CN86100643B
• 公開（公告）日: 1987-09-09
• 發明（設計）人: 丘軍林;龔志偉;唐宗化;孫書華
• 申請（專利權）人: 華中工學院
• 代理公司: 華中工學院專利事務所
• 代理人: 狄唯菁;方放

一種無氦全封閉橫流連續ＣＯ₂激光器，由陰極、陽極、光腔、熱交換器、導流板、風機、殼體和充排氣系統組成。在該激光器內充有ＣＯ₂、Ｎ₂、Ａｒ等混合氣體，并采用金屬與陶瓷封接的整體針狀陰極結構，及采用以氟里昂作為制冷劑的封閉循環的制冷熱交換系統。實現以氬代氦連續運轉并具有良好的穩定性能的ＣＯ₂激光器。解決了氦氣資源稀少、價格昂貴、供應緊張的問題。

本發明涉及氣體放電光激射器。

目前，在橫向快速流動連續CO₂激光器中需大量使用稀有氣體氦，氦氣在混合氣體中所占比例為50～90%。在我國，氦氣價格昂貴，每鋼瓶（38～40立升裝）約二千元（以人民幣計算）左右，供應也較為緊張，因此影響了激光器在工業中的推廣應用。

在“具有高效率的高氣壓封閉式連續CO₂激光器”（High-Presure Sealed CW CO₂ Laser With High Effciency），（IEEE J.Quantum Electronics，Vol.QE-18，No.3，1982年3月，第416-421頁）一文中介紹了日本三菱電氣公司的一種高氣壓、封閉式連續CO₂激光器，該激光器的氣流方向、放電方向及光軸相互正交，工作氣體采用封閉循環，運轉時無須補充氣體，氣體成分為CO₂∶CO∶N₂∶He＝2∶1∶19∶19或為CO₂∶CO∶N₂∶He∶Ar＝2∶1∶18∶10∶10，其中僅有一半的氦采用氬代替，仍需充入占氣體總量25%的氦氣才能運轉。該激光器的放電電極結構，是在陰極針的周圍均采用絕緣材料，散熱能力差，容易造成陰極針過熱而使放電不穩定，甚至產生起弧現象。

在“工業用電激勵連續CO₂激光器”Electric-Discharge CW Industrial CO₂ Laser），（Sov.J.Quantum Electron，12（10），1982年10月，第1316～1320頁）一文中介紹了蘇聯烏克蘭科學院焊接研究所研制的工業用連續CO₂激光器，輸出功率為1.0千瓦，采用以水代替氦，可實現無氦情況下運行，工作氣體成分為CO₂∶N₂∶He＝1∶9∶10或CO₂∶N₂∶H₂O＝1∶9+0.4mlH₂O。由于該激光器的工作氣體成分中有水蒸汽存在，所以會使殼體內層及零部件銹蝕和破壞電氣絕緣性能，陰極針壽命僅為300小時，對激光器的長期運行及壽命均有不利影響。所用的60根陰極針要通水冷卻，給制造和維修帶來許多困難，且陰極針采用雙層絕緣材料固定，對散熱是不利的。電光轉換效率為11%，在連續CO₂激光器中屬于偏低，因此需要輸入更多的電功率才能獲得所需的激光輸出功率，同時也增加了電器設備的費用。

本發明針對上述不足，提出全部以氬代氦，對激光器的陰極作了改進設計，并采用了封閉循環的制冷熱交換系統，從而實現在無氦情況下連續運轉。使氦氣供應緊張、價格昂貴的問題得到解決。

本發明的要點在于在激光器的殼體內充有CO₂、N₂、Ar等混合氣體，其比例為CO₂∶N₂∶Ar＝1-2∶5-15∶10-20，其總氣壓為20-70托，該混合氣體的最佳比例為CO₂∶N₂∶Ar＝1.5∶10∶10，壓力為58-62托。本發明陰極采用的是整體結構，將金屬針與陶瓷封接成的組件再與金屬支撐板作整體封接，該金屬針可以是采用錸鎢材料制造，陰極可以是水冷紫銅板。本發明所采用的熱交換器可以是管翅式熱交換器，與制冷機等組成封閉循環系統，其制冷劑可以采用氟里昂。該激光器可以采用機械泵、充氣裝置、測量儀表和CO₂、N₂、Ar等高壓鋼瓶組成充排氣系統，風機可以是軸流式壓氣機，采用通水冷卻的電機驅動。

本發明的優點在于：