專利名稱:封離型射頻激勵co的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型涉及一種CO2激光器,更具體地說,涉及一種封離型射頻激勵方式的CO2波導(dǎo)激光器。
射頻激勵CO2波導(dǎo)激光器是眾多CO2氣體激光器當(dāng)中的一種新型產(chǎn)品,它與其它類型的激光器相比具有高功率、高效率、高光束質(zhì)量的特點,所以特別適合用于激光加工。比如激光打孔,有時需要激光光束很圓、很細(xì),如果激光器的出光模式不好就不可能產(chǎn)生高質(zhì)量的光束,也就加工不出高質(zhì)量的孔。
但是,到目前為止,我國此類射頻激勵CO2波導(dǎo)激光器還主要靠進(jìn)口,價格昂貴,國內(nèi)還沒有自主開發(fā)研制出相應(yīng)的產(chǎn)品。
我國自行生產(chǎn)的激光器大多是玻璃管激光器和大功率(千瓦級)激光器。其中封離型激光器主要是玻璃管激光器,玻璃管激光器的缺點是光束模式不好,諧振腔穩(wěn)定性差、壽命短、有高壓,對人體有危險,而且管體易破損。大功率(千瓦級)激光器有軸流激光器和橫流激光器,多為直流激勵方式。它的缺點是由于使其工作的直流激勵電源需用限流電阻,所以功耗很大,濺射污染嚴(yán)重。另外,大功率(千瓦級)激光器必須在使氣體流動的條件下才能夠得到所需功率,而氣體流動就必須配備氣泵、管路,所以大功率激光器不可能實現(xiàn)封離,造成設(shè)備體積龐大,移動不便,使用的場合大大受到限制。
為實現(xiàn)上述目的,本實用新型采取以下設(shè)計方案一種封離型射頻激勵CO2波導(dǎo)激光器,它主要由殼體、諧振腔、射頻源和冷卻系統(tǒng)構(gòu)成;所述諧振腔和冷卻系統(tǒng)位于殼體內(nèi)部,射頻源位于殼體外部,射頻源通過饋入端子與殼體內(nèi)的諧振腔相連;所述殼體為一封閉的真空管體,它的前端設(shè)有一出光孔;所述諧振腔設(shè)置在殼體內(nèi)部,它主要由波導(dǎo)管和設(shè)置在波導(dǎo)管兩端的光學(xué)耦合鏡構(gòu)成;所述波導(dǎo)管是由鋁合金上、下電極和陶瓷圍成的空心導(dǎo)管;其內(nèi)徑很小、內(nèi)壁很光潔;在波導(dǎo)管的前、后端分別設(shè)有出光孔;與波導(dǎo)管出光孔相對應(yīng),在諧振腔的前端設(shè)有諧振腔輸出鏡;與波導(dǎo)管的出光孔相對應(yīng),在諧振腔的后端設(shè)有諧振腔反射鏡;所述波導(dǎo)管的上電極通過饋入端子與所述射頻源相連;所述射頻源為整個激光器提供射頻工作電源;所述冷卻系統(tǒng)位于所述殼體內(nèi)、諧振腔外,它固定在殼體的內(nèi)壁。
所述諧振腔輸出鏡為反射率為85%、透射率為15%的鏡片。
所述射頻源主要由振蕩單元電路、推動單元電路和功率放大單元電路組成;外部交流電源從振蕩單元電路的信號輸入端接入后,經(jīng)振蕩單元電路產(chǎn)生射頻振蕩信號,射頻振蕩信號經(jīng)推動單元電路的放大后處分兩路進(jìn)入功率放大單元電路,經(jīng)功率放大單元電路功率放大后,通過諧振腔上的兩個饋入端子將具有一定能量的射頻電源信號饋入到諧振腔內(nèi)。
所述冷卻系統(tǒng)為水冷系統(tǒng),它由固定在所述殼體內(nèi)壁的水管構(gòu)成。
本實用新型在所述射頻電源與諧振腔之間還設(shè)有一個匹配電路,它由依次串聯(lián)的電容、電感和電阻構(gòu)成。
在所述波導(dǎo)管上、下電極間還并聯(lián)有若干個可改變電壓分布的電感線圈。
本實用新型所述諧振腔內(nèi)還填充有高純度的N2、He和Xe輔助氣體。
本實用新型殼體1為一封閉的鋁合金型材真空管體,它的前端設(shè)有一出光孔11。
設(shè)置在殼體1內(nèi)的諧振腔2是本實用新型產(chǎn)生激光的關(guān)鍵部件。如圖2、圖3、圖4所示,諧振腔2主要是由波導(dǎo)管21和設(shè)置在波導(dǎo)管兩端的光學(xué)耦合鏡22、23構(gòu)成。波導(dǎo)管21是一由鋁合金上、下電極211、212、陶瓷213、214圍成的空心導(dǎo)管;其內(nèi)徑很小、內(nèi)壁很光潔。它是工作氣體即CO2氣體放電產(chǎn)生激光的空間。在波導(dǎo)管21的前、后端分別設(shè)有諧振腔輸出鏡22和諧振腔反射鏡23,其中,諧振腔輸出鏡22為反射率為85%,透射率為15%的鏡片。為使儲存在諧振腔2內(nèi)的CO2工作氣體產(chǎn)生激光,還需將波導(dǎo)管21的上電極211通過饋入端子217與射頻源3相連。
射頻源3是使諧振腔2內(nèi)的CO2氣體分子產(chǎn)生能級間的躍遷進(jìn)而產(chǎn)生激光的必要條件,它為整個激光器提供射頻工作電源。射頻電源是指頻率在88MHz-108MHz范圍內(nèi)工作的電源。本實用新型所選用的射頻電源頻率為90MHz,電源電壓為24V,電流20A,功率為350W。圖5為本實用新型射頻源3的具體電路圖。如圖所示,該射頻源電路主要由振蕩單元電路31、推動單元電路32和功率放大單元電路33組成。外部交流電源從振蕩單元電路31的信號輸入端“E”接入后,經(jīng)振蕩單元電路31后產(chǎn)生射頻振蕩信號,該射頻振蕩信號經(jīng)推動單元電路32的放大,從A、B兩點處分兩路進(jìn)入功率放大單元電路33,經(jīng)功率放大單元電路33功率放大后從RF1點和RF2點輸出,再通過諧振腔上的兩個饋入端子217將具有一定能量的射頻電源信號饋入到諧振腔內(nèi)。
當(dāng)射頻源3工作產(chǎn)生射頻后,射頻電源將能量通過兩個饋入端子饋入到諧振腔內(nèi),使諧振腔內(nèi)的CO2工作氣體激發(fā),產(chǎn)生輝光放電。此時CO2分子中的原子脫離平衡狀態(tài)下的位置,產(chǎn)生能級間的躍遷。在受激輻射躍遷的過程中,釋放出光子,而它又可以使處在上能級上的發(fā)光粒子產(chǎn)生一個與該光子狀態(tài)完全相同的光子,這兩個光子又可以去誘發(fā)其它粒子,產(chǎn)生更多狀態(tài)相同的光子,這種現(xiàn)象就是受激輻射放大。這些光子在諧振腔兩端的鏡片22、23之間不斷地被振蕩,并不斷被放大,進(jìn)而從諧振腔輸出鏡22、殼體1出光孔11射出形成激光。
在本實用新型研制過程中,發(fā)明人發(fā)現(xiàn)射頻源3的輸出阻抗與激光器諧振腔2的等效阻抗不匹配,射頻源的輸出阻抗為50Ω,而激光諧振腔的等效阻抗不是50Ω。為此,本實用新型在射頻源3與激光器諧振腔2之間增加一匹配電路5,如圖6所示。該匹配電路5由依次串聯(lián)的電容C0、電感L、電阻R構(gòu)成;并且,在電容C0與電感L的公共點與地之間還并聯(lián)有電容CT、C’。激光器放電諧振腔2可以等效成由一個電容C和一個電阻Rg形成的并聯(lián)回路,C是波導(dǎo)管上的分布電容,Rg為氣體放電等離子體的有效電阻;在放電氣體著火前Rg→∞,在著火后Rg=a(a=常數(shù),一般為100-1000Ω)。所以,本實用新型射頻源3的輸出端RF1、RF2實際上是通過網(wǎng)絡(luò)電路5與諧振腔2的兩個饋入端子217相連,將具有一定能量的射頻電源信號饋入到諧振腔內(nèi)的。由圖6可以看出,射頻源3、匹配電路5和諧振腔2形成一回路。它的主要作用是在CO2氣體放電著火前使回路諧振產(chǎn)生足以使氣體電離的高電壓;在CO2氣體放電著火后,實現(xiàn)阻抗匹配,使放電諧振腔的阻抗近似于50Ω。
由于激光的形成是通過工作氣體粒子的躍遷運動產(chǎn)生的,所以,隨著激光的形成會產(chǎn)生大量熱量。如果熱量不及時排出就會影響激光器的正常工作,比如模式會產(chǎn)生變化、輸出功率變小、射頻源當(dāng)中的元件燒壞等,最后導(dǎo)致不能出光。為了解決這個問題,本實用新型在殼體1內(nèi)、諧振腔2外,設(shè)置有冷卻系統(tǒng)4。本實用新型冷卻系統(tǒng)4為水冷系統(tǒng),它由固定在殼體1內(nèi)壁的水管構(gòu)成,冷卻水從進(jìn)水口41進(jìn),從出水口42出(如
圖1所示),在水循環(huán)的過程中,將熱量及時帶出,從而達(dá)到使激光器穩(wěn)定工作的目的。本實用新型采用水冷卻,當(dāng)然也可以采用風(fēng)冷方式降低激光器的溫度,保證激光器正常工作。
射頻電源3經(jīng)匹配電路5將射頻電源饋入諧振腔波導(dǎo)管的上電極時,為了使射頻電壓分布均勻,本實用新型采用了以下方法1、兩點饋入,縮短饋入點與傳輸線的距離;2、在波導(dǎo)管上、下電極間并聯(lián)若干個電感線圈24,改變電壓的分布。這樣就使整個電極長度上的電壓分布趨于均勻。
另外,本實用新型選用的波導(dǎo)管是由鋁合金和陶瓷構(gòu)成的,波導(dǎo)管的內(nèi)徑為2-3mm,長度為700mm。為了使產(chǎn)品一致性好,而且成本低,本實用新型選用的是鋁合金熱擠壓成型的型材,再經(jīng)過精密加工,使其上、下電極表面達(dá)到所需的精度和光潔度。陶瓷與鋁電極之間緊密接觸,同時在安裝時不得使其扭曲、變形,以保證波導(dǎo)管的精度。
本實用新型填充在諧振腔2內(nèi)的CO2氣體為為高純度的CO2氣體,同時還添加了高純的N2、He和Xe輔助氣體,它們的作用是增強激光的輸出。
由于本實用新型采用以上技術(shù)方案,本實用新型射頻激勵CO2波導(dǎo)的激光器與其它類型的激光器相比具有以下優(yōu)勢1、轉(zhuǎn)換效率高。由于本實用新型采用射頻電源為諧振腔提供工作電源,而射頻電源不用限流電阻,從而降低了電源功率的損耗,進(jìn)而使整個激光器轉(zhuǎn)換效率高。
2、體積小,使用方便。由于本實用新型的工作氣體CO2通過封離設(shè)備被填充在諧振腔內(nèi),所以,本實用新型在使用時,不需要配備氣泵、管路等設(shè)備,體積小,可以方便地在各種場合使用。
2、出光模式好。由于本實用新型采用波導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)設(shè)計,使CO2工作氣體在內(nèi)徑很小、內(nèi)壁很光潔的波導(dǎo)管內(nèi)放電產(chǎn)生激光,所以,其出光模式好,光束質(zhì)量高。
3、工作電壓低,對人身安全危害小,降低對元器件和電源的高壓絕緣的要求,同時有利于激光器的小型化。
4、使用壽命長。由于本實用新型采用射頻激勵方式工作,在射頻條件下工作氣體的分解速率降低,同時沒有濺射造成的污染等不良影響,所以,激光器的使用壽命長。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例,本實用新型的保護(hù)范圍并不局限于此。任何基于本實用新型技術(shù)方案上的等效變換均屬于本實用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種封離型射頻激勵CO2波導(dǎo)激光器,其特征在于它主要由殼體、諧振腔、射頻源和冷卻系統(tǒng)構(gòu)成;所述諧振腔和冷卻系統(tǒng)位于殼體內(nèi)部,射頻源位于殼體外部,射頻源通過饋入端子與殼體內(nèi)的諧振腔相連;所述殼體為一封閉的真空管體,它的前端設(shè)有一出光孔;所述諧振腔設(shè)置在殼體內(nèi)部,它主要由波導(dǎo)管和設(shè)置在波導(dǎo)管兩端的光學(xué)耦合鏡構(gòu)成;所述波導(dǎo)管是由鋁合金上、下電極和陶瓷圍成的空心導(dǎo)管;其內(nèi)徑很小、內(nèi)壁很光潔;在波導(dǎo)管的前、后端分別設(shè)有出光孔;與波導(dǎo)管出光孔相對應(yīng),在諧振腔的前端設(shè)有諧振腔輸出鏡;與波導(dǎo)管的出光孔相對應(yīng),在諧振腔的后端設(shè)有諧振腔反射鏡;所述波導(dǎo)管的上電極通過饋入端子與所述射頻源相連;所述射頻源為整個激光器提供射頻工作電源;所述冷卻系統(tǒng)位于所述殼體內(nèi)、諧振腔外,它固定在殼體的內(nèi)壁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封離型射頻激勵CO2波導(dǎo)激光器,其特征在于所述諧振腔輸出鏡為反射率為85%、透射率為15%的鏡片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的封離型射頻激勵CO2波導(dǎo)激光器,其特征在于所述射頻源主要由振蕩單元電路、推動單元電路和功率放大單元電路組成;外部交流電源從振蕩單元電路的信號輸入端接入后,經(jīng)振蕩單元電路產(chǎn)生射頻振蕩信號,射頻振蕩信號經(jīng)推動單元電路的放大后處分兩路進(jìn)入功率放大單元電路,經(jīng)功率放大單元電路功率放大后,通過諧振腔上的兩個饋入端子將具有一定能量的射頻電源信號饋入到諧振腔內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的封離型射頻激勵CO2波導(dǎo)激光器,其特征在于所述冷卻系統(tǒng)為水冷系統(tǒng),它由固定在所述殼體內(nèi)壁的水管構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的封離型射頻激勵CO2波導(dǎo)激光器,其特征在于本實用新型在所述射頻電源與諧振腔之間還設(shè)有一個匹配電路,它由依次串聯(lián)的電容、電感和電阻構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的封離型射頻激勵CO2波導(dǎo)激光器,其特征在于在所述波導(dǎo)管上、下電極間還并聯(lián)有若干個可改變電壓分布的電感線圈。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的封離型射頻激勵CO2波導(dǎo)激光器,其特征在于本實用新型所述諧振腔內(nèi)還填充有高純度的N2、He和Xe輔助氣體。
專利摘要本實用新型公開了一種封離型射頻激勵CO
文檔編號H01S3/00GK2595021SQ02294688
公開日2003年12月24日 申請日期2002年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月30日
發(fā)明者原鵬, 耿學(xué)虹, 羅景新 申請人:北京志恒達(dá)科技有限公司