专利摘要
专利摘要
本发明提供了一种低触发光能量光触发气体开关及其光路设计方法，属于大功率放电开关装置技术领域，包括高压电极、开关外筒、低压电极、高压电极聚焦透镜、限位卡环、准直透镜和激光输入组件。开关外筒设置为圆饼结构，圆饼结构两面均设置有圆形凹槽，且圆饼结构的两面凹槽连通。高压电极套设在圆饼结构的一面凹槽内，所述低压电极套设在圆饼结构的另一面的凹槽内。高压电极与低压电极间电场分布设置为均匀电场。本发明在低触发光能量下可实现激光触发开关的低抖动、低延时，大大降低了激光触发开关的触发要求，结构更为紧凑、成本低。触发光可用光纤传输，提高激光触发开关的工程适应性，为多个高功率光触发开关同步工作提供技术支撑。
权利要求
1.一种低触发光能量光触发气体开关，其特征在于，包括高压电极(1)、开关外筒(2)、低压电极(3)、高压电极聚焦透镜(5)、限位卡环(6)、准直透镜(7)和激光输入组件(8)；所述开关外筒(2)设置为圆饼结构，圆饼结构两面均设置有圆形凹槽，且圆饼结构的两面凹槽连通；所述高压电极(1)套设在圆饼结构的一面凹槽内，所述低压电极(3)套设在圆饼结构的另一面的凹槽内，所述高压电极(1)与低压电极(3)间电场分布设置为均匀电场；所述高压电极(1)上设置有圆形凹陷槽，且凹陷槽底部设置有底部设置有“碗”状的凹孔导通另一面；所述高压电极聚焦透镜(5)、限位卡环(6)和准直透镜(7)依次设置在高压电极(1)的凹陷槽内；所述激光输入组件(8)与高压电极(1)固定连接，激光输入组件(8)的激光输出端设置在准直透镜(7)的焦点上。
2.根据权利要求1所述的一种低触发光能量光触发气体开关，其特征在于，所述高压电极、高压电极聚焦透镜(5)、开关外筒(2)、与低压电极(3)之间构成开关室，开关室内充入氮气、纯净空气或者氩气等。
3.根据权利要求2所述的一种低触发光能量光触发气体开关，其特征在于，所述气体开关上还设置有两个气孔(9)，气孔(9)与开关室导通，气孔(9)用于给开关室更换气体进行充气和放气。
4.根据权利要求1所述的一种低触发光能量光触发气体开关，其特征在于，所述高压电极(1)与开关外筒(2)之间、开关外筒(2)与低压电极(3)之间和高压电极聚焦透镜(5)与高压电极(1)之间设置有密封圈(4)。
5.根据权利要求1所述的一种低触发光能量光触发气体开关，其特征在于，所述准直透镜(7)焦距是高压电极聚焦透镜(5)焦距8倍以上的准直透镜。
6.根据权利要求1所述的一种低触发光能量光触发气体开关，其特征在于，所述激光输入组件(8)上设置有光纤接口，光纤连接该组件后，光纤输出端口位置位于准直透镜的焦点处。
7.根据权利要求1所述的一种低触发光能量光触发气体开关，其特征在于，所述高压电极(1)与低压电极(3)的间距为4mm-6mm，准直透镜(7)选用透镜焦距约为10cm，高压电极聚焦透镜(6)选用透镜焦距约为1cm。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种低触发光能量光触发气体开关的光路设计方法，其特征在于，所述光路包括脉冲激光器(10)、输出激光束(11)、全反射镜片Ⅰ(12)、全反射镜片Ⅱ(13)、发射聚焦透镜(14)、光纤(15)、光路准直透镜(16)、聚焦透镜(17)和外框(18)；所述脉冲激光器(10)输出激光束(11)经全反射镜片Ⅰ(12)和全反射镜片Ⅱ(13)全反射后进入发射聚焦透镜(14)，发射聚焦透镜(14)聚焦光束后进入到光纤(15)，由光纤(15)输出端的光束进入光路准直透镜(16)发散为平行光束，平行光束进入聚焦透镜(17)内聚焦为光束点进入气体开关中心，光路准直透镜(16)和聚焦透镜(17)设置在外框(18)；光路设计方法包括如下步骤：
步骤1：计算激光在不同气体介质中的击穿阈值，计算公式如下：
其中击穿强度的单位是W·m
步骤2：分析击穿阈值与气压p和脉冲宽度t
步骤3：计算聚焦透镜(17)焦点处的功率密度，计算公式如下：
其中E
步骤4：计算激光在聚焦透镜(17)处的光斑直径D
其中D
步骤5：根据步骤4中的公式计算出光斑直径缩小的倍数为准直透镜与聚焦透镜焦距的比值；
步骤6：计算光纤中的能量密度，计算公式如下：
其中E
步骤7：根据步骤1、步骤3和步骤4的关系选取合适焦距的光路准直透镜(16)和聚焦透镜(17)，选取合适内芯直径的光纤；
步骤8：根据步骤6和步骤7的公式关系验证光纤传输能满足低触发能量光触发开关的要求，完成设置。
9.根据权利要求8所述的一种低触发光能量光触发气体开关及其光路设计方法，其特征在于，根据气体开关导通的延时和抖动的需求，通过充气或放气改变气体的压强。
10.根据权利要求8所述的一种低触发光能量光触发气体开关及其光路设计方法，其特征在于，所述发射聚焦透镜(14)与光纤(15)间设置有扩束镜，通过扩束镜减小激光光束的发散角。
说明书
技术领域
本发明涉及高功率脉冲调制器技术领域，特别地，涉及一种低触发光能量光触发气体开关及其光路设计方法。
背景技术
高功率开关技术是高功率脉冲调制器的一个关键技术，其主要作用是在充电过程中高压隔离实现储能、放电过程中快速导通，控制整个系统的工作时序。高功率气体开关因为同时具有可承受高电压、大电流、较高的di/dt、可重复频率运行等优点，因此作为高功率脉冲调制器的开关得到广泛应用。在所有种类气体开关中，相比于自击穿、电脉冲触发等类型气体开关，激光触发高功率脉冲气体开关具有低抖动、低延时、触发系统与高压系统绝缘隔离、工作可靠等优点，因此对激光触发开关的研究在国内外引起广泛的关注。
现有光触发开关为了达到较低的延时和抖动，所需激光能量大(紫外光需几个mJ～红外光需数百mJ等)、功率大(10
发明内容
本发明目的在于提供一种低触发光能量光触发气体开关及其光路设计方法，以解决现有光触发开关需要激光能量大的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种低触发光能量光触发气体开关，包括高压电极、开关外筒、低压电极、高压电极聚焦透镜、限位卡环、准直透镜和激光输入组件；所述开关外筒设置为圆饼结构，圆饼结构两面均设置有圆形凹槽，且圆饼结构的两面凹槽连通；所述高压电极套设在圆饼结构的一面凹槽内，所述低压电极套设在圆饼结构的另一面的凹槽内，所述高压电极与低压电极间电场分布设置为均匀电场；所述高压电极上设置有圆形凹陷槽，且凹陷槽底部设置有底部设置有“碗”状的凹孔导通另一面；所述高压电极聚焦透镜、限位卡环和准直透镜依次设置在高压电极的凹陷槽内；所述激光输入组件与高压电极固定连接，激光输入组件的激光输出端设置在准直透镜的焦点上。
上述方案中，优选的是高压电机、高压电极聚焦透镜、低压电极与开关外筒之间构成开关室，开关室内充入氮气、纯净空气或者氩气。
上述方案中，优选的是气体开关上还设置有两个气孔，气孔与开关室可充气导通，气孔用于给开关室更换气体进行充气和放气。
上述方案中，优选的是高压电极与开关外筒之间、开关外筒与低压电极之间和高压电极聚焦透镜与高压电极之间设置有密封圈。
上述方案中，优选的是准直透镜焦距是高压电极聚焦透镜焦距8倍以上的准直透镜。
上述方案中，优选的是激光输入组件上设置有光纤接口，光纤连接该组件后，光纤输出端口位置位于准直透镜的焦点处。
上述方案中，优选的是高压电极与低压电极的间距为4mm-6mm，准直透镜选用透镜焦距为10cm，高压电极聚焦透镜选用透镜焦距为1cm。
一种低触发光能量光触发气体开关的光路设计方法，所述光路包括脉冲激光器、输出激光束、全反射镜片Ⅰ、全反射镜片Ⅱ、发射聚焦透镜、光纤、光路准直透镜、聚焦透镜和外框；所述脉冲激光器输出端的输出激光束经全反射镜片Ⅰ和全反射镜片Ⅱ全反射后进入发射聚焦透镜，发射聚焦透镜聚焦光束后进入到光纤，由光纤输出端的光束进入光路准直透镜发散为平行光束，平行光束进入聚焦透镜内聚焦为光束点进入气体开关中心，光路准直透镜和聚焦透镜设置在外框；光路设计方法包括如下步骤：
步骤1：计算激光在不同气体介质中的击穿阈值，计算公式如下：
其中击穿强度的单位是W·m
步骤2：分析击穿阈值与气压p和脉冲宽度tp的比例关系；
步骤3：计算聚焦透镜焦点处的功率密度，计算公式如下：
其中Elaser为激光能量，f为焦距，θ为激光束发散角，τFWHM为激光脉冲宽度；
步骤4：计算激光在聚焦透镜处的光斑直径D2，计算公式如下：
其中D1为光纤输出端光纤内芯直径，f1为准直透镜的焦距，f2为聚焦透镜的焦距；
步骤5：根据步骤4中的公式计算出光斑直径缩小的倍数为准直透镜与聚焦透镜焦距的比值；
步骤6：计算光纤中的能量密度，计算公式如下：
其中Elaser为激光能量，Ifiber为激光能量密度，Dfiber为光纤直径，k为安全余量系数；
步骤7：根据步骤1、步骤3和步骤4的关系选取合适焦距的光路准直透镜和聚焦透镜，选取合适内芯直径的光纤；
步骤8：根据步骤6和步骤7的公式关系验证光纤传输能满足低触发能量光触发开关的要求，完成设置。
上述方案中，优选的是根据气体开关导通的延时和抖动的需求，通过充气或放气改变气体的压强。
上述方案中，优选的是发射聚焦透镜与光纤间设置有扩束镜，通过扩束镜减小激光光束的发散角。
本发明具有以下有益效果：
本发明在低触发光能量下可实现激光触发开关的低抖动、低延时，大大降低了激光触发开关的触发要求，结构更为紧凑、成本低；触发光可用光纤传输，提高激光触发开关的工程适应性，为多个高功率光触发开关同步工作提供技术支撑；激光触发开关设计简单，制造、安装方便，推动了其在工业和国防领域的应用。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明激光触发开关结构图；
图2是本发明的光路结构示意图。
图中标号：1高压电极、2开关外筒、3低压电极、4密封圈、5高压电极聚焦透镜、6限位卡环、7准直透镜、8激光输入组件、9气孔、10脉冲激光器、11输出激光束、12全反射镜片Ⅰ、13全反射镜片Ⅱ、14发射聚焦透镜、15光纤、16光路准直透镜、17聚焦透镜、18外框。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
一种低触发光能量光触发气体开关，如图1-2所示，包括高压电极1、开关外筒2、低压电极3、高压电极聚焦透镜5、限位卡环6、准直透镜7和激光输入组件8。针对现有的光触发开关所需的激光能量大(紫外光需几个mJ～红外光需数百mJ等)、功率大(10
开关外筒2设置为圆饼结构，圆饼结构两面均设置有圆形凹槽，且圆饼结构的两面凹槽连通，高压电极1套设在圆饼结构的一面凹槽内。低压电极3套设在圆饼结构的另一面的凹槽内，所述高压电极1与低压电极3间电场分布设置为均匀电场。高压电极1上设置有圆形凹陷槽，且凹陷槽底部设置有底部设置有“碗”状的凹孔导通另一面。高压电极聚焦透镜5、限位卡环6和准直透镜7依次设置在高压电极1的凹陷槽内。激光输入组件8与高压电极1固定连接，激光输入组件8的激光输出端设置在准直透镜(7)的焦点上。
脉冲激光通过光纤传输，依次经过准直透镜7、高压电极聚焦透镜5后，沿着开关两电极轴线进入开关内部，并聚焦于开关电极表面。开关两电极间电场采用均匀场强设计，均匀场设计可使开关具有较高的自击穿电压并工作在较高的欠压比，进而提升开关工作时电场强度。因为电场强度与开关气压的比值反映了电子在平均自由程上由电场获得能量的大小，该数值越大，开关延时越小。相应的触发时开关的欠压比越高，延时时间越短。开关外筒2采用绝缘材料，在开关筒径向留有两个气孔9，用于开关内部高压气体的充、放及吹气。高压电极聚焦透镜5放置于高压电极内部，针对1064nm激光选用相应类型透镜，保证对所需波长激光的高透光率，其焦点位于开关阳极表面附近，目的是减小开关的延时和抖动。高压电极聚焦透镜5、限位卡环6、准直透镜7和激光输入组件8依次放置于开关高压电极1内部，通过光纤激光输入组件8外部螺纹与开关高压电极内螺纹相连并固定位置，通过旋紧光纤输入组件8，依次压紧光纤输入组件8、准直透镜7、限位卡环6及高压电极聚焦透镜5。高压电极聚焦透镜5与开关高压电极1之间设计有密封圈4，实现对开关内部高压气体的密封。准直透镜7，其焦距大于高压电极聚焦透镜5，通常在8倍以上，目的是保证通过光学设计，使得激光器发出的激光经过准直透镜7和高压电极聚焦透镜5后，聚焦在开关阴极表面的激光在其焦点处具有较小的光斑直径。光纤激光输入组件8，留有光纤接口，光纤连接该组件后，光纤输出端口位置位于准直透镜7的焦点处。
开关将准直透镜7、高压电极聚焦透镜5和光纤激光入射组件8整合在一起，因而可以实现低触发光能量下光触发开关正常工作。假设开关充电电压为负电压，将开关低电压电极与高压充电电源连接，高压电极1与负载或接地点相连接。当开关低压电极充电到指定的电压时，Nd：YAG激光器发出脉冲激光，激光耦合到光纤中后，经光纤传输入射到开关中，沿着开关两电极轴线依次经过准直透镜、聚焦透镜后聚焦在低电压电极开关表面，此时聚焦后的高功率激光在电极表面及高压气体中形成电离，产生初始电子，进而促使整个开关的导通。高压电极1、低压电极3、开关外筒2及高压电极聚焦透镜5，相邻部分之间设计有密封圈4，构成一个密闭的开关室，开关内可根据需要充不同种类气体，如氮气、纯净空气、氩气等。
开关外筒2上设计有充气孔，可对开关室内气体进行更换或吹气，设计的100kV耐压的开关，最大直径处尺寸仅为～Φ90mm。开关两电极间电场采用均匀场设计，分析表明在激光触发开关电极间距5mm、高压电极充电电压65kV情况下，开关内最大电场强度小于～150kV/cm。准直透镜7选用透镜焦距为10cm，高压电极聚焦透镜5选用透镜焦距1cm。由公式计算可知可对光纤输出的激光光斑直径进行10倍的压缩。光纤传输组件8，光纤输出的激光位于准直透镜7的焦点处，输入的激光为波长1064nm的激光。关于光纤的选择可参照以下方法进行估算，光纤在脉宽1ns、波长1064nm的激光作用下，其损伤阈值为16J/cm2，而激光的损伤阈值随脉宽平方根比例成反比。假设选用5ns的激光进行触发实验，则光纤的损伤阈值估算为35J/cm2。在光纤中传输激光能量为3mJ，脉宽5ns情况下，选用光纤芯径200μm，光斑的有效直径按照光纤芯径的85％估算，并考虑到一定的安全余量k，选取安全余量系数k为0.8，计算可知光纤中能量密度为16.5J/cm
一种低触发光能量光触发气体开关的光路设计方法，光路包括脉冲激光器10、输出激光束11、全反射镜片Ⅰ12、全反射镜片Ⅱ13、发射聚焦透镜14、光纤15、光路准直透镜16、聚焦透镜17和外框18。脉冲激光器10输出端的输出激光束11经全反射镜片Ⅰ12和全反射镜片Ⅱ13全反射后进入发射聚焦透镜14。发射聚焦透镜14聚焦光速后进入到光纤15，由光纤15输出端的光束进入光路准直透镜16发散为平行光束，平行光束进入聚焦透镜17内聚焦为光束点进入气体开关中心，光路准直透镜16和聚焦透镜17设置在外框18。
光路设计方法包括如下步骤：
步骤1：计算激光在不同气体介质中的击穿阈值，计算公式如下：
其中击穿强度的单位是W·m
步骤2：分析击穿阈值与气压p和脉冲宽度tp的比例关系。
步骤3：计算聚焦透镜(17)焦点处的功率密度，计算公式如下：
其中Elaser为激光能量，f为焦距，θ为激光束发散角，τFWHM为激光脉冲宽度。
对于压强1atm、激光波长为1064nm、脉宽为10ns的激光触发条件下，激光所需击穿功率密度为212GW/cm
步骤4：计算激光在聚焦透镜17处的光斑直径D2，计算公式如下：
其中D1为光纤输出端光纤内芯直径，f1为准直透镜的焦距，f2为聚焦透镜的焦距。经过准直透镜和聚焦透镜后，在聚焦透镜焦点处光斑直径可以缩小的倍数为准直透镜与聚焦透镜焦距的比值。因此采用该种方式并选用合适的透镜焦距可以增大焦点处的功率密度，降低所需要的触发激光的能量。
步骤5：根据步骤4中的公式计算出光斑直径缩小的倍数为准直透镜与聚焦透镜焦距的比值。开关设计中在开关导通电压一定的情况下，减小开关间距并增大开关气压，可进一步降低开关导通的延时和抖动。在满足开关触发能量下的要求下，优先选择光纤芯径较小的光纤，其目的是保证激光的良好传输特性及聚焦特性。在激光聚焦进入光纤之前，将脉冲激光器发出的激光经过扩束镜来增大激光光束直径，降低激光发散角，提高光束质量。
步骤6：计算光纤中的能量密度，计算公式如下：
其中Elaser为激光能量，Ifiber为激光能量密度，Dfiber为光纤直径，k为安全余量系数。选取安全余量系数k为0.8，计算可知光纤中能量密度为16.5J/cm2，小于理论计算的损伤阈值35J/cm2，因此光纤可正常传输低能量脉冲激光。根据前面给出公式1和3可知，此时开关中焦点处光斑直径为20μm，对应的能量密度为955J/cm2，功率密度191GW/cm2。假设开关内充气气压为4atm，则对应的击穿阈值为177GW/cm2，由于焦点处的功率密度大于对应的击穿阈值，所以设计的可用光纤传输的低触发能量光触发开关满足设计要求。
步骤7：根据步骤1、步骤3和步骤4的关系选取合适焦距的光路准直透镜16和聚焦透镜17，选取合适内芯直径的光纤。光路准直透镜16选用透镜焦距为10cm，聚焦透镜17选用透镜焦距为1cm。
步骤8：根据步骤6和步骤7的公式关系验证光纤传输能满足低触发能量光触发开关的要求，完成设置。
针对现有的光触发开关所需的激光能量大(紫外光需几个mJ～红外光需数百mJ等)、功率大(10
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
一种低触发光能量光触发气体开关及其光路设计方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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