CN104662749A - 用于激光放电管的气体循环回路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于激光放电管的气体循环回路，其包括气体供应管道(a)及气体排放管道(c)，其中该气体供应管道(a)和/或该气体排放管道(c)在所述激光放电管(b)的纵向方向上是长形的，并且分别藉由入口流分配器、出口流分配器连接至该激光放电管(b)，所述入口流分配器和出口流分配器分别适用于在所述激光放电管(b)的至少一部分上的受控的横向气体入口和横向气体出口，且其中所述入口流分配器和/或出口流分配器包括多个相应的入口通道或出口通道，所述气体循环回路的特征在于，所述气体供应管道(a)的直径与所述入口通道的直径之间的比率、和/或所述气体排放管道(c)的直径与所述出口通道的直径之间的比率至少是2。此外，本发明还涉及包括这样的气体循环回路的激光设备。

Description

用于激光放电管的气体循环回路
技术领域
本发明涉及用于激光放电管的气体循环回路，且涉及包括这样的气体循环回路的激光设备。
背景技术
脉冲式高压放电激升/泵送气体激光器(pulsed high pressure dischargepumped gas lasers)——例如，准分子激光器或横向激发大气(TEA)CO2激光器——需要气体循环回路，以在每一脉冲之间冷却及更新放电区域中的气体，从而获得稳定且均质的辐射束。
在FR2718894A1中发现一示例，其中描述了气体循环回路安装在具有放电区域的管线中(参见图1)。此设计的缺点在于，由于气体在放电管的轴向方向上更新，所以气体沿着放电区域的全部长度的均质性不能得以保证。
此外，当以高脉冲速率操作时，在放电管的全部长度上的轴向方向上的气体更新发生得不够快。
图2中展示了减轻上述问题的气体循环回路的另一示例。这种众所周知类型的气体循环回路为风洞型循环回路，其在放电区域的横向方向上更新气体。
风洞型循环回路的缺点在于，由于使用空气动力风洞的传统设计规则来产生所需气流速度和气流均质性，所以其可具有相当大的尺寸。具体地，当将其用于高达2mx0.1x0.1m的放电管体积时，该设计规则可导致如此大以至与工业环境的不兼容性会成为问题的尺寸。
在DE 199 36 955中揭示了另一已较紧凑类型的气体循环回路，其在横向方向上更新气体且设计成用于改进气体沿着放电区域的全部长度的均质性。该气体循环回路包括在激光放电管的纵向方向上是长形的气体供应管道和气体排放管道，且包括一定数量的相应的入口通道及出口通道。然而，在这种设计中，气体的均质更新仍不能得以满足，尤其针对高脉冲速率不能得以满足。
鉴于上述缺点，本发明的目的是提供一种进一步改进气体沿着放电区域的全部长度的均质性的气体循环回路。
另一目的是提供一种能够实现足够快的气体更新以用于高脉冲速率下的操作的气体循环回路。
此外，本发明的又一目的是提供一种尺寸上可被接受用于工业环境中、甚至与很大的放电管结合使用的紧凑的气体循环回路。
发明内容
本发明涉及用于激光放电管的气体循环回路，其包括气体供应管道及气体排放管道，其中该气体供应管道和/或该气体排放管道在所述激光放电管的纵向方向上是长形的，并且分别藉由入口流分配器和出口流分配器连接至该激光放电管，所述入口流分配器和出口流分配器分别适用于在所述激光放电管的至少一部分上的受控的横向气体入口和横向气体出口，且其中该入口流分配器和/或该出口流分配器分别包括多个入口通道或出口通道，所述气体循环回路的特征在于，所述气体供应管道的直径与所述入口通道的直径之间的比率、和/或所述气体排放管道的直径与所述出口通道的直径之间的比率至少是2。
在优选实施例中，所述气体供应管道及所述气体排放管道两者在所述激光放电管的纵向方向上都是长形的，且分别藉由包括多个相应的入口通道或出口通道的入口流分配器和出口流分配器连接至所述激光放电管，其特征在于，所述气体供应管道的直径与所述入口通道的直径之间的比率、及所述气体排放管道的直径与所述出口通道的直径之间的比率至少是2。
此外，本发明还涉及包括这样的气体循环回路的激光设备。
附图说明
图1图示了现有技术中的气体循环回路的示例。
图2图示了现有技术中的气体循环回路的另一示例。
图3示意性图示了根据本发明的气体循环回路的第一实施例。
图4示意性图示了根据本发明的气体循环回路的另一实施例。
图5示意性图示了根据本发明的气体循环回路的实施例的细节。
图6图示了根据本发明的气体循环回路的优选实施例。
图7示意性图示了根据本发明的气体循环回路的实施例的截面，其包括一定数量的在横向方向上连续定位的具有不同透通性的栅格。
具体实施方式
在第一实施例中，提供了用于激光放电管的气体循环回路，其包括气体供应管道及气体排放管道，其中该气体供应管道和/或气体排放管道在激光放电管的纵向方向上是长形的，并且分别藉由入口流分配器、出口流分配器连接至该激光放电管，所述入口流分配器和出口流分配器分别适用于在所述激光放电管的至少一部分上的受控的横向气体入口和横向气体出口，且其中该入口流分配器和/或出口流分配器分别包括多个入口通道或出口通道，所述气体循环回路的特征在于，所述气体供应管道的直径与所述入口通道的直径之间的比率、和/或所述气体排放管道的直径与所述出口通道的直径之间的比率至少是2。
惊奇地发现，通过使气体供应管道的直径与入口通道的直径之间的比率、和/或气体排放管道的直径与出口通道的直径之间的比率至少为2，根据本发明的紧凑的气体循环回路允许对横向气体流的均质性与循环回路中的压降之间的权衡的适当控制。实际上，若所述比率小于2，则可能不那么容易在循环充分量的气体所需的吹风机功率、循环回路的排放侧处产生的压降和气体流在激光放电管的全部长度上的均质性之间找到适当的平衡。尤其针对大体积的激光放电管，例如，高达2mx0.1x0.1m，其产生多于60cm2、多于80cm2、优选100cm2的大面积输出射束，具有能量密度介于0.5J/cm2与10J/cm2之间、通常1cm2至10cm2的发射射束点，这样的适当平衡是十分重要的。
根据本发明的气体循环回路的另一优点在于，气体在放电区域的较大部分长度上、优选基本上全部长度上同时进入放电区域。相比于其他设计，这会使气体更新发生得更快，借此能够实现用于高达50赫兹或甚至高达100赫兹的高脉冲率(亦称作重复频率)下的操作的足够快的气体更新。
如图3中特定说明的另一优点在于，相比于已知设计，根据本发明的气体循环回路可更紧凑。因为气体供应管道在激光放电管的纵向方向上是长形的，所以其可非常接近该放电管地定位。
优选地，气体排放管道(c)亦可在激光放电管的纵向方向上是长形的，使得该气体排放管道也可非常接近放电管(b)地定位，从而使得该循环回路更加紧凑。
在优选实施例中，气体排放管道适于使得气体在激光放电管的横向反向(参见图3及图4，自(b)至(c)的箭头)上离开该激光放电管。这可改进气体在放电区域中、甚至沿着放电区域的全部长度的均质性。优选地，气体排放管道在放电区域的基本全部长度上是长形的。
另外，通过使气体排放管道在激光放电管的纵向方向上是长形的并且使气体在激光放电管的横向方向上离开该激光放电管，而使气体在放电区域的较大部分长度上、优选基本全部长度上同时离开该放电区域。这与在激光放电管的纵向方向上是长形的气体供应管道相结合可形成显著更有效率且更快的气体更新。
在根据本发明且如图4及图6中所说明的优选实施例中，气体供应管道(a)及气体排放管道(c)两者可在激光放电管(b)的纵向方向上是长形的、适于引导放电管中的横向气体流并且位于该激光放电管的相对两侧。这使气体循环回路具有基本上平的构型。在激光放电管具有平的矩形长方体形式(亦即，如图6中所示的平的长形的盒子形式)的情形中，可将循环回路安装于与放电管所在的平面相同的平面中，这在激光设备的紧凑性与组装简易性方面是有益的。
在根据本发明的气体循环回路的实施例中，气体供应管道可藉由入口流分配器连接至激光放电管，该入口流分配器适用于在激光放电管的至少一部分上的受控的横向气体入口。
在优选与上述实施例结合的另一实施例中，气体排放管道可藉由出口流分配器连接至激光放电管，该出口流分配器适用于在激光放电管的至少一部分上的受控的横向气体出口。
这样的入口或出口流分配器可包括用于分配、混合或均质化气体和/或控制该气体的流动速率及流量/流动分配的任何装置。
在根据本发明且如图5中说明的实施例中，入口流分配器和/或出口流分配器可分别包括多个相应的入口通道(d)或出口通道(d')。这些通道可以是具有特定长度及直径的小管，其将相应的气体供应管道或气体排放管道连接至激光放电管。
具体地，气体供应管道的直径与入口通道的直径之间的比率、和/或气体排放管道的直径与出口通道的直径之间的比率可以是至少2、或至少3、或至少4、或优选地至少4.5、且更优选地至少5。
入口通道及出口通道的长度可在气体供应管道直径的0.25倍与2.5倍之间、且优选地在气体供应管道直径的0.5倍与1.5倍之间变化。
在替代实施例中，入口通道和/或出口通道可在长度与到吹风机/鼓风机的距离的比值方面变化以影响通道中的气体压力、速度或流动，从而使得气体供应管道和/或排放管道实际上在激光放电管的纵向方向上是长形的但可与该纵向方向基本上不平行。
将相应的气体供应管道及气体排放管道连接至激光放电管的入口通道或出口通道的数目由气体循环回路的尺寸、激光放电管的尺寸以及气体供应管道和排放管道的长度来确定。举例而言，对于体积为2m x 0.1x 0.1m的放电管，18个入口通道(和/或18个出口通道)在放电管的长度上逐次分开。
优选地，两个连续通道之间的空间可近似为一个通道直径。实际上，两个连续通道之间的空间可取决于供应管道到放电区域的距离。在不受任何理论约束的前提下，若所述距离较大(入口通道较长)，则存在用于气体流充分扩散的较多空间和时间，且因此两个连续通道之间的空间可超过一个通道直径。
在替代实施例中，入口通道或出口通道或两者可由多孔/能渗透的材料或毛细材料替换，例如，陶瓷材料、金属泡沫、毛细热固性聚合物或任何适于引导气体的纵向分布及横向均质化的材料。
在根据本发明的可选地结合上述实施例中的任一者的另一实施例中，入口流分配器包括在激光放电管的纵向方向上延伸的栅格组件。此类栅格组件可包括由金属、聚合物等制成的任何栅格状结构，其适于对分配、混合或均质化气体和/或控制该气体的流动速率及流量/流动分配做出改进。这样的栅格状结构可具有适于实现所需气体分配、混合或均质化作用和/或所需流动速率及流量分配的透通性(透过性，穿透性)。
在优选实施例中，栅格组件包括在横向方向上连续地定位、具有不同透通性的一定数量的栅格(e、f)，如图7中所说明。
由两个连续栅格组成的栅格组件可包括具有较高透通性的第一栅格(e)及具有较低透通性的第二栅格(f)，其中气体流首先穿过较高透通性的栅格。较高透通性的栅格可具有至少50％、至少60％、优选至少70％且更优选至少80％的开口率(空隙比)，而较低透通性的栅格可具有小于50％、小于60％、优选小于70％的开口率。举例而言，较高透通性的栅格及较低透通性的栅格的透通性可分别为83％及27％。
栅格组件可安装在气体供应管道与激光放电管之间，或可安装在激光放电管内部。
若气体流分配器包括入口通道，则栅格组件可构造成包括一个或多个栅格的一体件/整体件，且安装在通道与激光放电管的出口之间。该栅格组件也可安装在激光放电管的内部。或者，栅格组件也可构造成分开的组装部件，每个部件包括安装在各入口通道中或安装在各通道与激光放电管之间、优选在其出口处的一个或多个栅格。
进一步如图6中所说明，根据本发明的气体循环回路可包括连接气体供应管道与气体排放管道的吹风机(g)。优选地，将气体供应管道与气体排放管道联系起来的平面在由激光放电管的纵向方向及气体供应管道的纵向方向限定的平面中。这使得气体循环回路具有基本上平的构型。在激光放电管具有平的矩形长方体形式(亦即，平的长形的盒子形式)的情形中，吹风机可安装在与放电管所在平面相同的平面中，这对激光设备的紧凑性与组装简易性而言是有益的。
吹风机的功率可基于和结合整个循环回路的设计参数——诸如，流分配器的尺寸、几何形状、透通性等——的适当选择而调整及确定，用以适当控制横向气体流的均质性与循环回路中的压降之间的权衡。
另外，本发明还提供一种包括根据上述实施例中的任一者的气体循环回路的激光设备。
根据本发明的循环回路可尤其对需要X射线发生器用于放电预电离的高能量激光设备很有帮助，由于所述循环回路的特殊设计，所以该循环回路可与X射线发生器兼容并且在电极两侧上提供对激光放电管的两侧的自由接近。
另外，所述设计足够灵活以修改激光器自身的基础参数，用以控制和修改放电。
包括根据本发明的气体循环回路的激光设备可以是需要气体更新的任何类型的激光器，诸如脉冲式高压放电激升气体激光器，例如，准分子激光器或横向激发大气(TEA)CO2激光器。
激光能量可在5焦耳至25焦耳的范围中。为了获得这些能量，通常将激光放电量优化为10cm(电极间的间距)×7至10cm(放电宽度)×100至200cm(放电长度)。
在本发明的一实施例中，激光器可适于产生具有在0.5J/cm2与10J/cm2之间的能量密度的发射激光束。
在优选实施例中，激光器可以是适于产生多于60cm2、多于80cm2、优选100cm2的较大面积输出射束的准分子激光器，其具有能量密度介于0.5J/cm2与10J/cm2之间的通常为1cm2至10cm2的发射射束点。

Claims (8)

1.一种用于激光放电管的气体循环回路，该气体循环回路包括气体供应管道和气体排放管道，其中所述气体供应管道和/或气体排放管道在所述激光放电管的纵向方向上是长形的，并且分别通过入口流分配器、出口流分配器连接至所述激光放电管，所述入口流分配器和出口流分配器分别适用于在所述激光放电管的至少一部分上的受控的横向气体入口和横向气体出口，且其中所述入口流分配器和/或出口流分配器包括多个相应的入口通道或出口通道，
所述气体循环回路的特征在于，所述气体供应管道的直径与所述入口通道的直径之间的比率、和/或所述气体排放管道的直径与所述出口通道的直径之间的比率至少是2。
2.根据权利要求1所述的气体循环回路，其特征在于，所述气体供应管道与所述激光放电管的纵向方向平行地定位。
3.根据权利要求1或2所述的气体循环回路，其特征在于，所述气体排放管道与所述激光放电管的纵向方向平行地定位。
4.根据权利要求1至3所述的气体循环回路，其特征在于，所述入口流分配器和/或气体出口分配器包括多孔或毛细材料。
5.根据权利要求1至4所述的气体循环回路，其特征在于，所述入口流分配器包括在所述激光放电管的纵向方向上延伸的栅格组件。
6.根据权利要求5所述的气体循环回路，其特征在于，所述栅格组件包括在横向方向上连续地定位的具有不同透通性的一定数量的栅格。
7.根据上述权利要求中任一项所述的气体循环回路，其特征在于，一吹风机在由所述激光放电管的纵向方向和所述气体供应管道的纵向方向限定的平面中将所述气体供应管道和所述气体排放管道连接起来。
8.一种激光设备，其包括根据上述权利要求中任一项所述的气体循环回路。
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