本發(fā)明涉及一種超短脈沖射頻CO2激光器，尤其涉及激光器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)在市面上用于皮革切割的氣體激光器，一般都是用二氧化碳射頻激光器，一般使用激光器平均功率在200～400瓦特之間，調(diào)制頻率1～100千赫茲，占空比在0～40％，例如相干公司的Diamond J3功率在10～250瓦特間為占空比0～60％，Rofin公司的SR 25i系列激光器功率在10～250瓦特占空比為0～60％，能量要達(dá)到最大的激光平均功率就需要一個(gè)工作脈沖周期的60％。以上所述的激光器峰值功率在平均功率的兩倍左右，峰值功率不高，激光照射被切割物時(shí)材料氣化不明顯。激發(fā)占空比60％，激光照射時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)切縫邊緣的熱影響大，所以在切割皮革的時(shí)候會(huì)發(fā)生碳化現(xiàn)象，皮革的切割邊緣會(huì)發(fā)黃或者發(fā)黑，從而影響產(chǎn)品的外觀，主要原因就是激光器需要達(dá)到60％脈沖周期的時(shí)間才能達(dá)到平均功率，所以熱量就傳導(dǎo)到邊緣的皮革上使之被燒焦。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題本發(fā)明提供了一種用于切割皮革的射頻CO2激光器，該激光器主要通過(guò)一個(gè)高峰值的射頻電源，使激光器能在很小的占空比就能達(dá)到最大功率值，能在很短的時(shí)間內(nèi)就把被加工物氣化，減少被切割材料熱傳導(dǎo)，使皮革切縫新鮮沒(méi)有明顯碳化焦黑。此種激光器的脈沖占空比最大25％，時(shí)間短了近2～4倍。

本實(shí)用新型提供一種用于皮革切割的射頻CO2激光器，其特征在于：射頻CO2激光器的脈沖功率是平均功率的至少三倍，使得射頻電源工作占空比在25％以?xún)?nèi)就能達(dá)到最大的平均功率；所述射頻CO2激光器包括激光器(1)與射頻電源(2)；其中，射頻電源(2)包括控制模塊(3)、高峰值射頻模塊(4)；高峰值射頻模塊(4)由前級(jí)微帶分配板(9)、功率放大板(10)、高峰值功率合成板(11)組成；高峰值功率合成板(11)是由若干根空氣微帶線組成。其中空氣微帶線是由銅箔(12)、固定柱(13)、PCB接地表面(14)組成。

所述銅箔是由厚0.3～0.8mm寬12～16mm的紫銅鍍金而成，總長(zhǎng)度是550～580mm，銅箔與PCB接地表面(14)之間的間距是4.6～4.9mm，銅箔兩端固定在的固定柱上，而銅箔與PCB接地表面(14)之間是懸空不接觸的，而空氣的介電常數(shù)是1，結(jié)合銅箔的厚度、寬度與長(zhǎng)度就能起到功率合成的作用。

其中，CO2激光器的控制模塊(3)包括輸入模塊(6)，單片機(jī)模塊(7)，PWM輸出模塊(8)； 單片機(jī)模塊(7)接收到外部的PWM后通過(guò)內(nèi)部的一個(gè)輸入捕捉模塊，捕捉到PWM的上升沿與下降沿時(shí)定時(shí)器的時(shí)間值，再通過(guò)上升沿與下降沿之間的時(shí)間計(jì)算出PWM的頻率與占空比，然后根據(jù)所計(jì)算出的值計(jì)算出功率所需的PWM的值，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的輸出比較模塊輸出所需要的PWM值到所述PWM輸出模塊(8)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)連接示意圖；

圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)內(nèi)部模塊示意圖；

圖3為本發(fā)明的控制模塊內(nèi)部連接圖；

圖4為本發(fā)明的高峰值射頻模塊連接圖；

圖5為本發(fā)明的PWM與功率關(guān)系圖；

圖6為本發(fā)明的空氣微帶線結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

激光皮革切割加工主要的原理是通過(guò)聚焦激光光束到被加工的皮革上，激光聚焦點(diǎn)上的功率非常高，能把皮革瞬間氣化，而再配合機(jī)床的運(yùn)動(dòng)就能將皮革切成所需要的形狀，因?yàn)槎加糜谙M(fèi)品市場(chǎng)，所以切割工藝的要求切邊要平整，并不能有燒焦發(fā)黑，為了達(dá)到這個(gè)工藝要求，就需要激光能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大的脈沖峰值功率，才能達(dá)到所需要的功率氣化皮革。射頻激光器以脈沖調(diào)制的方式發(fā)射激光，一個(gè)脈沖周期內(nèi)激光平均功率的大小是高電平時(shí)激光功率與低電平時(shí)激光功率的平均值，激光器輸出平均功率一定的時(shí)候，占空比大的時(shí)候說(shuō)明激光器的脈沖峰值功率相對(duì)較低，反之當(dāng)占空比小的時(shí)候說(shuō)明激光器的脈沖峰值功率相對(duì)較高，本發(fā)明解決的就是在平均功率不變的情況下提高脈沖峰值功率，同時(shí)縮短占空比。通過(guò)調(diào)制占空比來(lái)確定激光平均功率的大小，當(dāng)占空比達(dá)到設(shè)定的最大值時(shí)就能達(dá)到所需的平均功率值，比如目前市場(chǎng)中的激光器均以占空比40％以上，也就是說(shuō)激光器要達(dá)到平均功率就需要把占空比調(diào)到占空比40％以上。所述占空比40％意義是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，那么激光器40％的時(shí)間出激光，剩下60％時(shí)間不出激光，因此如此長(zhǎng)的時(shí)間熱量傳導(dǎo)到皮革切開(kāi)內(nèi)，切口就有可能發(fā)黃燒焦，因此現(xiàn)在我們開(kāi)發(fā)一款激光器同樣放電空間的射頻注入功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的射頻激光器，提高射頻電源功率的目的是提高激光器瞬間脈沖的峰值功率，才能使25％的占空比以?xún)?nèi)就能達(dá)到射頻能量的注入飽和，也就是說(shuō)一個(gè)脈沖周期內(nèi)用25％的時(shí)間就能實(shí) 現(xiàn)激光器最高能量瞬間輸出，縮短了對(duì)被切割物的熱影響時(shí)間，降低被切割物切縫邊緣的燒焦和發(fā)黑的情況，這種占空比越短脈沖功率越高，對(duì)皮革切縫熱影響越小，對(duì)越厚的皮革需要的占空比越小，所需的脈沖功率就越高，對(duì)切縫質(zhì)量越有利?？傊?，針對(duì)皮革切割來(lái)說(shuō)脈沖功率越高，時(shí)間越短越有利于切縫的質(zhì)量。比如輸出激光能量350瓦的激光器，放電等離子體積是61200立方毫米，射頻最大注入能量是6000瓦，占空比60％能輸出350瓦的激光，超過(guò)60％的占空比激光輸出功率就飽和了，350除以60％就是583瓦的激光脈沖峰值功率。而本發(fā)明同樣輸出激光能量350瓦的激光器，放電等離子體積是61200立方毫米，射頻最大注入能量是24000瓦，占空比15％能輸出350瓦的激光，超過(guò)15％的占空比激光輸出功率就飽和了，350除以15％就是2333瓦的激光脈沖峰值功率。可以看出增加射頻注入能量，脈沖峰值功率明顯提高，有利于被激光照射物表面瞬間氣化的速度，提高氣化效果降低碳化現(xiàn)象。縮短占空比是為了在一個(gè)工作脈沖周期內(nèi)減少熱傳導(dǎo)的時(shí)間，從而降低了邊緣因發(fā)熱所產(chǎn)生的發(fā)黃燒焦現(xiàn)象。

所述激光器主要由兩個(gè)部分組成，激光器1與射頻電源2，激光器1的作用是把輸入的射頻能量轉(zhuǎn)化為光能，射頻電源2的作用是把工頻電流，經(jīng)過(guò)頻率變換轉(zhuǎn)變成射頻電流以供給激光器，起到一個(gè)泵浦的作用，所述射頻電源有一個(gè)比較重要的參數(shù)就是脈沖功率是平均功率的三倍多，平均功率是指激光器達(dá)到飽和時(shí)的功率值，而峰值功率是指射頻電源2能輸出的最大功率值，如果峰值功率等于平均功率也就是說(shuō)射頻電源2工作占空比為100％時(shí)，激光器功率才能達(dá)到飽和，而如果峰值功率是三倍多就是說(shuō)射頻電源2工作占空比為25％或更少的時(shí)候就能達(dá)到激光器功率的飽和值，因而能讓激光器在很短的周期內(nèi)產(chǎn)生很高的光峰值功率。而整個(gè)激光器系統(tǒng)也可以看成由控制模塊3，高峰值射頻模塊4，激光管1組成?？刂颇K3與高峰值射頻模塊4組成了射頻電源2，控制模塊3接收到外部控制pwm信號(hào)，運(yùn)算后輸出PWM信號(hào)到高峰值射頻模塊4，所述高峰值射頻模塊4把信號(hào)放大后將射頻能量發(fā)送到激光管1。所述控制模塊3由3個(gè)模塊組成，輸入模塊6，單片機(jī)模塊7，PWM輸出模塊8，所述輸入模塊6起到了隔離外部電路與調(diào)理輸入信號(hào)的作用，防止外部輸入信號(hào)損壞單片機(jī)，單片機(jī)模塊7使用的是PIC單片機(jī)dspic30f5013，此單片機(jī)內(nèi)部有輸入檢測(cè)模塊，可以檢測(cè)外部輸入的PWM的脈寬與頻率，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后輸出到PWM輸出模塊，輸出的PWM信號(hào)為0-25％，PWM輸出模塊對(duì)單片機(jī)的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后輸出到高峰值射頻模塊，所述控制模塊的控制方法如下所述，單片機(jī)接收到外部的PWM后通過(guò)內(nèi)部的一個(gè)輸入捕捉模塊，捕捉到PWM的上升沿與下降沿時(shí)定時(shí)器的時(shí)間值，再通過(guò)上升沿與下降沿之間的時(shí)間計(jì)算出PWM的頻率與占空比，然后根據(jù)所計(jì)算出的值通過(guò)公式計(jì)算出功率所需的PWM的值，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的輸出比較模塊輸出所需要的PWM值到所述PWM輸出模塊8，所述高峰值射頻模塊4為功率放大作用， 為了達(dá)到短脈沖高功率，高峰值射頻模塊4峰值功率為平均功率的3倍或更多，可以讓電源在更快的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平均功率值。同樣激光器諧振腔放電面積下，提高射頻電源功率，使注入功率占空比25％內(nèi)就能使激光諧振腔能力注入飽和，也就是激光增益飽和。高峰值射頻模塊4由三部分組成，前級(jí)微帶分配板9，功率放大板10，高峰值功率合成板11，所述前級(jí)微帶分配板9，起到分配功率信號(hào)的作用，通過(guò)若干根微帶覆銅線將信號(hào)平均分配到各個(gè)功率放大板10，功率放大板10，包括輸入信號(hào)阻抗匹配電路，射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入信號(hào)阻抗匹配電路后輸出到由晶體管Q1、Q2構(gòu)成的LDMOS放大器，射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后輸出到阻抗變換器，將阻抗變換后的兩路信號(hào)輸出到非平衡平衡轉(zhuǎn)化器T4，兩路非平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為一路信號(hào)后輸出。高峰值功率合成板11，是由若干根空氣微帶線組成，普通的微帶合成線使用的往往是介電常數(shù)較高的聚四氟乙烯PCB板，而本發(fā)明的峰值功率較高，如果用普通的聚四氟乙烯板就會(huì)發(fā)熱或擊穿，因此我們采用了空氣微帶線，此方法能降低損耗，減小熱量。空氣微帶線由3部分組成，銅箔12，固定柱13，PCB接地表面14，所屬銅箔是厚0.3～0.8mm寬12～16mm的紫銅鍍金而成，總長(zhǎng)度是550～580mm，銅箔與PCB接地表面14之間間距是4.6～4.9mm，銅箔兩端固定在固定柱上，固定柱底下有螺紋孔用于固定在板上，最上層鍍上銅皮，銅皮表面鍍金需要固定微帶銅箔的時(shí)候只需要微帶銅箔用錫焊接到固定柱上，而銅箔與PCB接地表面14之間是懸空不接觸的而空氣的介電常數(shù)是1，結(jié)合銅箔的厚度，寬度與長(zhǎng)度就能起到功率合成的作用。

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)連接示意圖，激光器1與射頻電源2，激光器1的作用是把輸入的射頻能量轉(zhuǎn)化為光能，射頻電源2的作用是把工頻電流，經(jīng)過(guò)頻率變換轉(zhuǎn)變成射頻電流以供給激光器，起到一個(gè)泵浦的作用，所述射頻電源有一個(gè)比較重要的參數(shù)就是脈沖功率是平均功率的三倍，因而能讓激光器在很短的周期內(nèi)產(chǎn)生很高的光峰值功率。

圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)內(nèi)部模塊示意圖，由控制模塊3，高峰值射頻模塊4，激光管1組成?？刂颇K接收到外部控制PWM信號(hào)，運(yùn)算后輸出PWM信號(hào)到高峰值射頻模塊，所述高峰值射頻模塊把信號(hào)放大后將射頻能量發(fā)送到激光管。

圖3為本發(fā)明的控制模塊內(nèi)部連接圖，所述控制模塊由3個(gè)模塊組成，輸入模塊6，單片機(jī)模塊7，PWM輸出模塊8，所述輸入模塊6起到了隔離外部電路與調(diào)理輸入信號(hào)的作用，防止外部輸入信號(hào)損壞單片機(jī)，單片機(jī)模塊7使用的是PIC單片機(jī)dspic30f5013，此單片機(jī)內(nèi)部有輸入檢測(cè)模塊，可以檢測(cè)外部輸入的PWM的脈寬與頻率，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后輸出到PWM輸出模塊8，輸出的PWM信號(hào)為0-50％，PWM輸出模塊起到單片機(jī)的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理的作用。

圖4為本發(fā)明的高峰值射頻模塊連接圖，高峰值射頻模塊4由三部分組成，前級(jí)微帶分 配板9，功率放大板10，高峰值功率合成板11，所述前級(jí)微帶分配板9，起到分配功率信號(hào)的作用，通過(guò)若干根微帶覆銅線將信號(hào)平均分配到各個(gè)功率放大板10。所述功率放大板10，包括輸入信號(hào)阻抗匹配電路，射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入信號(hào)阻抗匹配電路后輸出到由晶體管Q1、Q2構(gòu)成的LDMOS放大器，射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后輸出到阻抗變換器，將阻抗變換后的兩路信號(hào)輸出到非平衡平衡轉(zhuǎn)化器T4，兩路非平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為一路信號(hào)后輸出。高峰值功率合成板11，是由若干根空氣微帶線組成，普通的微帶合成線使用的往往是介電常數(shù)較高的聚四氟乙烯PCB板，而本發(fā)明的峰值功率較高，如果用普通的聚四氟乙烯板就會(huì)發(fā)熱或擊穿，因此我們采用了空氣微帶線，此方法能降低損耗，減小熱量。

圖5為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的PWM與功率關(guān)系圖，圖為占空比與功率的直線圖，12.5％的時(shí)候功率達(dá)到350瓦。

圖6為本發(fā)明的空氣微帶線結(jié)構(gòu)示意圖，空氣微帶線由3部分組成，銅箔12，固定柱13，PCB接地表面14，所屬銅箔是厚厚0.3～0.8mm寬12～16mm的紫銅鍍金而成，總長(zhǎng)度是550～580mm，銅箔與PCB接地表面14之間間距是4.6～4.9mm，銅箔兩端固定在固定柱上，而銅箔與PCB接地表面14之間是懸空不接觸的而空氣的介電常數(shù)是1，結(jié)合銅箔的厚度，寬度與長(zhǎng)度就能起到功率合成的作用。