專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于激光切割的抗熱畸變Nd:YAG激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光切割技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種用于激光切割的抗熱畸變 Nd:YAG激光器，適用于固體激光切割設(shè)備使用。
背景技術(shù)：
當(dāng)Nd:YAG激光器以連續(xù)或高重復(fù)脈沖兩種方式運(yùn)行時(shí)，都能獲得數(shù)百瓦至上 千瓦的高功率激光輸出，因此Nd:YAG激光器在激光切割加工中得到廣泛的應(yīng)用。但是 高功率Nd:YAG激光器在進(jìn)行激光加工時(shí)也存在嚴(yán)重的熱效應(yīng)，主要是由于泵浦光的利 用率較低，大部分光以熱的方式消耗，導(dǎo)致Nd:YAG激光棒產(chǎn)生嚴(yán)重的熱畸變，這種變 形體現(xiàn)在兩個(gè)方面，均會(huì)帶來(lái)不好的影響一是已加工成形的Nd:YAG激光棒兩個(gè)平行 的光學(xué)平面畸變?yōu)橐粋€(gè)凸面，如圖1所示，產(chǎn)生凸透鏡效應(yīng)，將平行的光束變?yōu)榘l(fā)散的 光束，造成激光器運(yùn)行不穩(wěn)定和光束模式變壞，影響激光聚焦和切割精度；二是熱效應(yīng) 造成Nd:YAG激光棒的熱彎曲變形會(huì)造成對(duì)激光器光束的擾動(dòng)，特別是在高功率激光運(yùn) 行狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生光束漂移，嚴(yán)重影響激光切割的光點(diǎn)定位，影響切割精度。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，而提供一種用于激 光切割的抗熱畸變Nd:YAG激光器，它具有良好的抗熱畸變性能，切割精度高，使用壽命長(zhǎng)。本實(shí)用新型的目的是通過(guò)如下技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種用于激光切割的抗熱畸 變Nd:YAG激光器，包括橢圓柱聚光腔、Nd:YAG激光棒、泵浦源氙燈，所述用于激光切 割的抗熱畸變Nd:YAG激光器的光學(xué)諧振腔中同軸設(shè)置兩個(gè)橢圓柱聚光腔，所述橢圓柱 聚光腔的兩個(gè)焦點(diǎn)分別設(shè)置泵浦源氙燈和Nd:YAG激光棒。在上述技術(shù)方案中，所述橢圓柱聚光腔的橢圓參數(shù)為長(zhǎng)半軸20mm，短半軸 17mm，橢圓率e為0.53，焦距2C為21.6mm。在上述技術(shù)方案中，所述Nd:YAG激光棒表面呈螺旋狀。在上述技術(shù)方案中，所述Nd:YAG激光棒，其出光截面為Φ6mmX 150mm，所 述Nd:YAG激光棒是將Φ8ιηιηΧ 150mm的Nd:YAG激光棒表面加工成螺旋狀，其表面螺 旋紋的螺旋深度為1mm，螺旋寬度為2mm。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1.采用兩個(gè)橢圓柱聚光腔串聯(lián)而 成，安裝簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，兩個(gè)聚光腔分立供電，同步激發(fā)，可獲得平均功率400瓦到 500瓦的激光輸出用于激光切割；2.采用螺旋棒狀Nd:YAG作為激光工作物質(zhì)，其表面受 光照面積增大，表面散熱面積增大，激光冷卻水流速度加快，使得Nd:YAG棒的熱透鏡 效應(yīng)減小，能有效改善光束的輸出發(fā)散角，提高光束的聚焦性能；3.螺旋棒狀Nd:YAG 激光棒由于有效強(qiáng)度截面增大，抗熱畸變性能增加，能有效減小棒的彎曲變形，大大改 善激光光束的光點(diǎn)漂移。
圖1為平滑Nd:YAG激光棒光照中熱變形的示意圖。圖2為本用于激光切割的抗熱畸變Nd:YAG激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為橢圓柱聚光腔燈棒光線(xiàn)軌跡圖。圖4為本實(shí)用新型中螺旋狀Nd:YAG激光棒封裝與水冷示意圖。其中1.橢圓柱聚光腔、2.Nd:YAG激光棒、3.泵浦源氙燈、4.泵浦源氙燈的直 流高壓電源、5.光學(xué)諧振腔調(diào)整鏡架、6.光學(xué)諧振腔輸出鏡、7.光學(xué)諧振腔全反鏡、8.冷 卻玻璃管、9.冷卻玻璃管、10.活動(dòng)棒套、11.硅橡膠密封圈、12.玻璃管、13.硅橡膠密封 O型圈。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。如圖2所示，本實(shí)施例提供一種用于激光切割的抗熱畸變Nd:YAG激光器，包括 橢圓柱聚光腔1、Nd:YAG激光棒2、泵浦源氙燈3，該激光器的光學(xué)諧振腔中同軸設(shè)置兩 個(gè)橢圓柱聚光腔1，所述橢圓柱聚光腔1的兩個(gè)焦點(diǎn)分別設(shè)有泵浦源氙燈3和Nd:YAG激 光棒2，形成一臺(tái)二級(jí)串聯(lián)Nd:YAG激光器。通過(guò)微調(diào)機(jī)構(gòu)將兩支Nd:YAG激光棒調(diào)整到 同軸，同心并端面相互平行，以保證兩級(jí)激光器安裝緊湊。橢圓柱聚光腔1中的泵浦源 氙燈3由激光電源即直流高壓電源4分立供電，兩支泵浦源氙燈3同步觸發(fā)，以保證泵浦 源氙燈3的電荷功率相同，確保Nd:YAG激光棒2保持相近的熱效應(yīng)，達(dá)到激光器的平衡 運(yùn)行。由于采用了兩個(gè)橢圓柱聚光腔1串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，在獲得同樣的500瓦平均功率激光 輸出時(shí)，由于兩級(jí)串聯(lián)激光器Nd:YAG激光棒的泵浦功率只有雙燈泵浦的泵浦功率的一 半，同時(shí)聚光效率比雙燈泵浦的聚光效率提高20%，因此激光棒的熱畸變將大大小于雙 燈泵浦的激光棒。從而保證激光束發(fā)射角、發(fā)射功率的穩(wěn)定度，光斑模式也能得到很大 的改善。本實(shí)用新型實(shí)施例除了采用兩級(jí)串聯(lián)方式改善熱畸變以獲取高光束質(zhì)量的平均 功率500瓦輸出激光外，為了進(jìn)一步改善Nd:YAG激光棒2的熱畸變，同時(shí)還特別提出 將Nd:YAG激光棒2表面加工成螺旋狀。本激光器所采用的兩根螺旋狀Φ8mmX 150mm Nd:YAG激光棒2，其出光截面為Φ6mmX 150mm，具體過(guò)程是將Φ8ιηιηΧ 150mm的 Nd:YAG激光棒2表面加工成螺旋狀表面，其表面螺旋紋的螺旋深度為1mm，螺旋寬度為 2mm；螺旋棒的激光出光截面保證為Φ 6mm。由于Nd:YAG激光棒2表面加工成螺旋狀，其散熱面積增加2倍，并且當(dāng)冷卻水 沿螺旋槽溝流過(guò)時(shí)，其流速增加1倍以上，同比平滑的激光棒其散熱效果大為改善。螺旋狀Nd:YAG激光棒2不僅散熱效果好，同時(shí)又有直徑相當(dāng)于Φ 8mm Nd:YAG 激光棒的機(jī)械強(qiáng)度，其抗熱彎曲變形的能力也得到了增強(qiáng)，使得激光束光點(diǎn)漂移大大小 于雙燈泵浦的激光器。如圖3所示為橢圓柱聚光腔1光線(xiàn)軌跡圖，本實(shí)施例中橢圓柱聚光腔1的橢圓參 數(shù)為長(zhǎng)半軸20mm，短半軸17mm，橢圓率e = 0.53，焦距2C = 21.6mm。泵浦源氙燈3與螺旋狀Nd:YAG激光棒2分別安裝在橢圓柱聚光腔1的兩條焦線(xiàn)上。按照橢圓反射面 等光程原理，焦點(diǎn)A上氙燈3發(fā)射的光線(xiàn)，經(jīng)橢圓反射面上任一點(diǎn)P反射后的光線(xiàn)都將匯 聚到另一個(gè)焦點(diǎn)B，照射到螺旋狀Nd:YAG激光棒2上。因此安裝在焦點(diǎn)B上的螺旋狀 Nd:YAG激光棒2受泵浦光照的表面積增大，經(jīng)表面光線(xiàn)折射成像于Nd:YAG激光棒2有 效發(fā)光截面上。 圖4為螺旋狀Nd:YAG激光棒狀封裝與水冷示意圖。 圖中螺旋狀Nd:YAG激光棒2封接在兩支活動(dòng)棒套10內(nèi)。棒兩端與棒套過(guò)度連 接，采用硅橡膠密封圈11密封，用以阻止冷卻水滲漏到Nd:YAG激光棒2的光學(xué)端面。 封裝后的Nd:YAG激光棒2組件再封裝到水冷玻璃管套12中，采用硅橡膠密封O型圈13 密封，保證冷卻水不會(huì)外漏。水冷玻璃管套12為GG17玻璃管。冷卻時(shí)，冷卻水從進(jìn) 水口進(jìn)入，經(jīng)激光棒表面和沿螺旋槽快速流過(guò)，散除Nd:YAG激光棒2上的熱量，然后從 出水口流出。
權(quán)利要求1.一種用于激光切割的抗熱畸變Nd:YAG激光器，包括橢圓柱聚光腔、Nd:YAG激光 棒、泵浦源氙燈，其特征是所述用于激光切割的抗熱畸變Nd:YAG激光器的光學(xué)諧振 腔中同軸設(shè)置兩個(gè)橢圓柱聚光腔，所述橢圓柱聚光腔的兩個(gè)焦點(diǎn)分別設(shè)置泵浦源氙燈和 Nd:YAG激光棒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光切割的抗熱畸變Nd:YAG激光器，其特征是所述 橢圓柱聚光腔的橢圓參數(shù)為長(zhǎng)半軸20mm，短半軸17mm，橢圓率e為0.53，焦距2C為 21.6mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光切割的抗熱畸變Nd:YAG激光器，其特征是所述 Nd:YAG激光棒表面呈螺旋狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于激光切割的抗熱畸變Nd:YAG激光器，其特征是所述 Nd:YAG激光棒的出光截面為Φ6ιηιηΧ 150mm，其表面螺旋紋的螺旋深度為1mm，螺旋 寬度為2mm。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及激光切割技術(shù)領(lǐng)域，提供一種用于激光切割的抗熱畸變Nd:YAG激光器，包括橢圓柱聚光腔、Nd:YAG激光棒、泵浦源氙燈，所述用于激光切割的抗熱畸變Nd:YAG激光器的光學(xué)諧振腔中同軸設(shè)置兩個(gè)橢圓柱聚光腔，所述橢圓柱聚光腔的兩個(gè)焦點(diǎn)分別設(shè)置泵浦源氙燈和Nd:YAG激光棒。本實(shí)用新型具有良好的抗熱畸變性能，切割精度高，使用壽命長(zhǎng)。
文檔編號(hào)B23K26/36GK201797227SQ20102051609
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者張愛(ài)萍, 陳橋立, 齊飛 申請(qǐng)人:武漢嘉銘激光有限公司