[其他]无氦全封闭横流连续二氧化碳激光器

说明书

本发明涉及气体放电光激射器。

目前，在横向快速流动连续CO₂激光器中需大量使用稀有气体氦，氦气在混合气体中所占比例为50～90%。在我国，氦气价格昂贵，每钢瓶（38～40立升装）约二千元（以人民币计算）左右，供应也较为紧张，因此影响了激光器在工业中的推广应用。

在“具有高效率的高气压封闭式连续CO₂激光器”（High-PresureSealedCWCO₂LaserWithHighEffciency），（IEEEJ.QuantumElectronics，Vol.QE-18，No.3，1982年3月，第416-421页）一文中介绍了日本三菱电气公司的一种高气压、封闭式连续CO₂激光器，该激光器的气流方向、放电方向及光轴相互正交，工作气体采用封闭循环，运转时无须补充气体，气体成分为CO₂∶CO∶N₂∶He＝2∶1∶19∶19或为CO₂∶CO∶N₂∶He∶Ar＝2∶1∶18∶10∶10，其中仅有一半的氦采用氩代替，仍需充入占气体总量25%的氦气才能运转。该激光器的放电电极结构，是在阴极针的周围均采用绝缘材料，散热能力差，容易造成阴极针过热而使放电不稳定，甚至产生起弧现象。

在“工业用电激励连续CO₂激光器”Electric-DischargeCWIndustrialCO₂Laser），（Sov.J.QuantumElectron，12（10），1982年10月，第1316～1320页）一文中介绍了苏联乌克兰科学院焊接研究所研制的工业用连续CO₂激光器，输出功率为1.0千瓦，采用以水代替氦，可实现无氦情况下运行，工作气体成分为CO₂∶N₂∶He＝1∶9∶10或CO₂∶N₂∶H₂O＝1∶9+0.4mlH₂O。由于该激光器的工作气体成分中有水蒸汽存在，所以会使壳体内层及零部件锈蚀和破坏电气绝缘性能，阴极针寿命仅为300小时，对激光器的长期运行及寿命均有不利影响。所用的60根阴极针要通水冷却，给制造和维修带来许多困难，且阴极针采用双层绝缘材料固定，对散热是不利的。电光转换效率为11%，在连续CO₂激光器中属于偏低，因此需要输入更多的电功率才能获得所需的激光输出功率，同时也增加了电器设备的费用。

本发明针对上述不足，提出全部以氩代氦，对激光器的阴极作了改进设计，并采用了封闭循环的制冷热交换系统，从而实现在无氦情况下连续运转。使氦气供应紧张、价格昂贵的问题得到解决。

本发明的要点在于在激光器的壳体内充有CO₂、N₂、Ar等混合气体，其比例为CO₂∶N₂∶Ar＝1-2∶5-15∶10-20，其总气压为20-70托，该混合气体的最佳比例为CO₂∶N₂∶Ar＝1.5∶10∶10，压力为58-62托。本发明阴极采用的是整体结构，将金属针与陶瓷封接成的组件再与金属支撑板作整体封接，该金属针可以是采用铼钨材料制造，阴极可以是水冷紫铜板。本发明所采用的热交换器可以是管翅式热交换器，与制冷机等组成封闭循环系统，其制冷剂可以采用氟里昂。该激光器可以采用机械泵、充气装置、测量仪表和CO₂、N₂、Ar等高压钢瓶组成充排气系统，风机可以是轴流式压气机，采用通水冷却的电机驱动。

本发明的优点在于：

1.采用本发明的阴极，具有如下优良特性：

（1）具有优良的真空密封性能。由于采用了金属针与陶瓷封接的整体阴极，经过氦质谱仪检漏，从而保证了优良的真空密封性。

（2）具有良好的导热性能。本发明的阴极针的工作部分处于激光器内部，工作时所产生的大部分热量被流动的工作气体带走，剩余热量则由暴露在外部的阴极针尾部（接线端）和支撑板与大气对流而耗散掉。

（3）接线及检修方便。由于针的尾部暴露在外部，接线和检修非常方便，同时也消除了因内部接线而使充排气速率大大降低的弊病。阴极可采用整体拆卸和整体安装，因而更换方便。

（4）运行稳定、工作可靠。本发明的阴极已运行半年以上未发现任何异常现象。