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放电激励技术的发展在新型高性能TEA CO2激光器的探索和研制中发挥了重要的作用。本文对TEA CO2激光器放电激励系统中的关键技术开展了研究,进行了大量的理论分析、建模仿真以及实验研究工作,主要取得了以下成果:
1.本文基于国产非晶态合金带绕磁芯,研制了采用半导体开关、脉冲变压器以及磁脉冲压缩网络的全固态激励电路系统。讨论了系统的工作原理、模拟分析和优化设计方法,测试了系统的工作性能和各部分能量损失。实验结果表明:在933cm3的磁开关总磁芯体积下,磁脉冲压缩网络得到的总压缩增益为37.5,能量传输效率为83％,全固态激励系统的总效率为76％。
2.成功地将该全固态激励源应用于小型TEA CO2激光器。激励脉冲的电压峰值为-22kV,电流上升时间为100ns;得到了脉冲能量为109mJ,脉冲宽度为70ns的激光输出。激光器的整体效率约为3.3％,最大重复工作频率约为100Hz,而全固态激励源部分可以达到400Hz的工作频率。全固态激励技术在高重复频率、高输出功率和长寿命脉冲放电气体激光器领域有着很大的发展潜力。
3.本文采用高精度有限元方法建立了TEA CO2激光器带有预电离结构的电极系统模型,结合预电离过程建立了考虑预电离放电在内的激励电路模型,分析了预电离对电极系统的均匀电场分布和激励电路的脉冲放电过程产生的影响。研究结果表明:可以通过仿真分析,合理地选择电极构型参数和预电离结构安装位置,产生性质较好的均匀电场和效率较高的激光输出,同时减小所需加工电极的体积和成本。这种建模分析过程同样可以应用于其他类型的复杂电极系统,为此类脉冲放电气体激光器的设计提供了一定的参考。
4.本文还提出并实现了一种新型的紫外光预电离结构--“管状同轴结构预电离”。该结构采用管状同轴分布电容耦合器形式,能够在更紧凑的空间中得到更好的预电离强度和均匀性的结合。其整体设计简单,参数选择灵活,便于安装维护,具有绝缘强度高、介质损耗小、制造成本低等优异性能,并且可以利用多种方式进行冷却,有利于实现高重复频率、高输出功率和长运行时间。
5.将该新型预电离结构应用于中等放电体积的可调谐 TEA CO2激光器,在工作气压为30kPa,工作电压为26～35kV的范围内获得了均匀的辉光放电与稳定的激光输出。激光器最大注入能量为36.75J,相应的比注入能量为163J/L·atm,最大输出能量为2.353J,相应的比输出能量为10.46J/L·atm。该技术有望在实际工程中进一步应用和发展。