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轴快流CO2激光器放电管结构的研究和设计

2013-03-01 15:08
野明月
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  引 言

  高功率轴快流CO2激光器以其优良的光束性能在工业加工领域已得到广泛应用,如切割、焊接、表面处理等等。为了深入了解激光等离子体的特性和分布,获得更好更稳定的激光输出,对此类激光器的研究一直在进行。放电管是激光器系统中的关键部件之一,其外型结构直接影响到工作气体放电时的流场分布,而快流激光器正是靠流场的湍流和扩散效应来降低激光等离子体的不均匀性,所以,放电管结构设计是激光器结构设计中至关重要的一环,关系到放电的稳定性和均匀性,以及激光器的出光效率。

  轴快流CO2激光器的放电管通常为普通的圆柱型玻璃管,一般只有人口的阳极端和出口的阴极端的结构有少许变化。另外也有一些结构较复杂的放电管,如华工激光科微晶公司生产的轴快流CO2激光器中使用的放电管和国外激光器制造商(ROFIN—SINAR)生产的系列轴快流CO2激光器中使用的放电管。研究对象是适用于直流激励的,输出功率为3500W的轴快流CO2激光器的两种不同结构的放电管,其具体结构将在下文中介绍。轴快流CO2激光器的增益区共有l2根相同的放电管,工作气体由一个涡轮风机带动,风机两侧分别装有一个气-液热交换器来进行冷却。作者通过对两种不同结构的放电管分别进行数值模拟和实验验证,分析了两者放电时的表现和流场变化,总结了两者的优缺点,提出了设计放电管的新思路。

  1 现有放电管结构比较

  目前一种最常见的高功率轴快流激光器使用的放电管为普通的十字型管,结构如图1所示。而另一种同样功率输出的激光器采用的是人口处有外部绕流环的放电管,工作气体从外部绕流环经过以后再从阳极与中心管之间的小孔进入放电管,其结构如图2所示。需要说明的是,除了图示入口处局部结构的不同之外,两种放电管的内径和长度都是一样的,内径均为19mm,从阳极到阴极的放电长度也都是215mm,这样才能保证计算结果的比较是有意义的。

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