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《中国科学技术大学》 2017年
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高重复率ArF准分子激光器的关键技术研究

朱能伟  
【摘要】:论文概述了准分子激光器的发展史及其在科研、医疗和工业方面的应用并介绍了高重复率准分子激光器的国内外发展现状。提出了高重复率准分子激光腔设计涉及的关键技术,如放电电极与电晕预电离技术、高速气体循环技术、声学激波抑制技术和热交换技术等。对关键技术进行实例描述和分析,为4 kHz重复率ArF准分子激光腔的设计提供了依据。采用张氏电极的设计理论,设计了一套用于高重复率放电的紧凑型张氏电极。采用电晕预电离方式对主电极放电提供初始电子浓度。通过对横流风机、磁耦合器和气体循环流道合理设计,在放电区获得高达33.3 m/s的气体平均流速。对流场进行数值仿真计算,直观观测激光腔内的气体流动情况。仿真和实测结果表明:放电区气体流速的大小和均匀性均达到放电要求。通过冷却系统中的冷却水带走了激光腔中8.2kW的热功率。合理的热交换结构,能适应热胀冷缩。双O型圈密封结构使得工作气体与冷却水之间实现可靠隔离。紧凑的汇流结构,使激光器的冷却系统仅有一个进水口和一个出水口,避免了繁琐的管道连接。设计、加工和组装了一台可运行在4 kHz重复率的ArF准分子激光器实验样机。开展了高重复率ArF准分子激光器放电实验研究。通过对预电离结构的结构优化,解决了陶瓷管表面爬电问题和放电区下风口拉弧问题。在直流电源电压750 V下,ArF准分子激光器可以最高4500 Hz重复率运行。运行在4 kHz重复率和放电电压17.4 kV时,通过分光法测量得到ArF准分子激光器最高输出功率72 W,能量稳定性优于1.5%,电光转换效率约1.19%。实验结果表明:ArF准分子激光器在39℃具有最高出光能量,在工作气体温度在40~48℃内,具有较高的能量稳定性。
【关键词】:准分子激光器 高重复率 电晕预电离 流场仿真 冷却系统
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN248
【目录】:
  • 摘要5-6
  • ABSTRACT6-11
  • 第1章 绪论11-17
  • 1.1 准分子激光器的发展历史11
  • 1.2 准分子激光器的应用11-14
  • 1.2.1 医疗应用11-12
  • 1.2.2 科研应用12-13
  • 1.2.3 工业应用13-14
  • 1.3 高重复率准分子激光器国内外发展现状14-15
  • 1.4 本论文的主要工作15-17
  • 第2章 高重复率准分子激光器的关键技术17-35
  • 2.1 准分子激光腔17-18
  • 2.2 预电离技术18-22
  • 2.3 电极面型设计技术22-25
  • 2.4 高速气体循环技术25-28
  • 2.5 声学激波的抑制技术28-31
  • 2.6 热交换技术31-33
  • 2.7 本章小结33-35
  • 第3章 放电电极及预电离结构设计35-43
  • 3.1 放电电极设计35-37
  • 3.2 预电离结构设计37-38
  • 3.3 电场仿真38-41
  • 3.3.1 电场仿真理论基础38
  • 3.3.2 ANSYS电场仿真过程38-40
  • 3.3.3 电场仿真结果与分析40-41
  • 3.4 本章小结41-43
  • 第4章 高速气体循环系统设计43-67
  • 4.1 激光腔体43-44
  • 4.2 风机驱动系统设计44-48
  • 4.2.1 横流式风机设计44-45
  • 4.2.2 磁耦合器设计45-48
  • 4.3 气体循环流道设计48-50
  • 4.3.1 放电区上下游循环流道设计48-49
  • 4.3.2 流道的声波反射结构设计49-50
  • 4.4 循环流道的流场数值仿真50-59
  • 4.4.1 流场仿真的模型参数50
  • 4.4.2 流场仿真理论基础50-52
  • 4.4.3 ICEM网格划分方法52-54
  • 4.4.4 FLUENT流场仿真54-55
  • 4.4.5 流场仿真结果与分析55-59
  • 4.5 双电机驱动控制技术59-64
  • 4.5.1 基于电流差值控制的负载均衡控制系统59-61
  • 4.5.2 硬件和软件设计61-63
  • 4.5.3 两台无刷直流电机负载均衡控制实验结果63-64
  • 4.6 本章小结64-67
  • 第5章 冷却系统设计67-73
  • 5.1 翅片式热交换器设计67-68
  • 5.2 热胀冷缩结构设计68-69
  • 5.3 汇流结构设计69-70
  • 5.4 紊流器的调研采购70-72
  • 5.5 本章小结72-73
  • 第6章 高重复率ArF激光实验73-97
  • 6.1 ArF激光器工作动力学过程简介73-74
  • 6.2 全固态脉冲电源74-77
  • 6.3 预电离结构对高重复率放电的影响77-80
  • 6.4 高重复率实验结果80-90
  • 6.4.1 电极结构Ⅰ的放电实验80-82
  • 6.4.2 电极结构Ⅱ的出光实验82-89
  • 6.4.3 腔体热平衡测量89-90
  • 6.5 提高放电间距对高重复率放电的影响90-95
  • 6.5.1 电极结构Ⅲ的放电实验90-94
  • 6.5.2 电极结构Ⅳ的放电实验94-95
  • 6.6 本章小结95-97
  • 第7章 总结与展望97-102
  • 7.1 总结97-99
  • 7.2 展望99-102
  • 参考文献102-111
  • 致谢111-112
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果112

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