專(zhuān)利名稱(chēng)：高效率低階模橫流co的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及CO2激光器，特別是一種高效率低階模橫流CO2激光器，它具有高的電光轉(zhuǎn)換效率，低階模振蕩輸出的、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，特別適用于激光焊接和切割。
背景技術(shù)：
直流放電的橫流CO2激光器是采用三軸正交激勵(lì)技術(shù)，即氣流方向、放電方向和光振蕩方向互相垂直，因此放電通道(截面)比較大，一般達(dá)25×40mm，選擇大尺寸腔鏡，直接將腔內(nèi)振蕩光能耦合出來(lái)，獲得多模輸出的激光。一般情況下，直接電光轉(zhuǎn)換效率在15％左右。如果要獲得低階模振蕩輸出，通常是通過(guò)在腔內(nèi)加光闌的方法，在穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)下，對(duì)于TEM00?！玊EM11模，光斑直徑約在φ10～φ22mm，整個(gè)激活區(qū)的利用率很低，隨著橫模級(jí)次的降低，激光輸出功率和光電轉(zhuǎn)換效率都降低，因此有的采用折迭腔方法，盡可能充分利用激活區(qū)體積來(lái)獲得高功率低階模輸出。由于直流氣體放電的負(fù)阻效應(yīng)，為了穩(wěn)定輝光放電，一般在放電回路中要串入一限流電阻，限流電阻的阻值較大，約為幾kΩ，因此在電路中消耗電功率也較大，加上以往產(chǎn)品的高壓直流電源，往往采用可控硅調(diào)壓或晶閘管模塊調(diào)壓，是一種將50Hz工頻升壓整流技術(shù)，電源功率損耗大，變壓器電感等元件發(fā)熱嚴(yán)重，需要加冷卻裝置。諸多因素，使得最終設(shè)備的電光轉(zhuǎn)換效率很低，在當(dāng)今電力資源比較緊張的情況下，提高設(shè)備的電光轉(zhuǎn)換效率，降低使用成本是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種高效率低階模橫流CO2激光器，該激光器應(yīng)具有電光轉(zhuǎn)換效率高的、低階模輸出、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，可廣泛地用于激光焊接、切割和熱處理等。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種高效率低階模CO2激光器，由激光器頭部、大功率開(kāi)關(guān)電源、電阻箱和抽氣系統(tǒng)置于一箱體內(nèi)組成，所述的激光器頭部置于該箱體的上方，開(kāi)關(guān)電源、電阻箱和抽氣系統(tǒng)分別置于該箱體下部，所述的激光器頭部由離心風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、放電室、熱交換器、光腔組成并組裝在一密封的立方體箱體中，離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，工作氣體經(jīng)過(guò)放電室的風(fēng)道實(shí)現(xiàn)循環(huán)，所述的放電室由多塊氣體導(dǎo)流板構(gòu)成，放電室內(nèi)設(shè)導(dǎo)流口琴、預(yù)放電針、陰極和陽(yáng)極，其特征在于所述的放電室的氣流入口是分割均化氣流的導(dǎo)流口琴，在氣體導(dǎo)流板構(gòu)成的最窄口的上方是陰極，下方為多塊陽(yáng)極，在陰極的上游設(shè)一排預(yù)放電針，該預(yù)放電針的分布以每塊陽(yáng)極的中心線對(duì)稱(chēng)，針與針的間距為9-10mm，預(yù)放電針的針尖與陰極管底部相切或稍偏下，該針尖到陰極管中心間距為陰極管的直徑加2～3mm，每一根預(yù)放電針通過(guò)限流電阻Rp接到直流高壓電源；所述的陽(yáng)極塊尺寸沿氣流方向短為a，沿陰極管方向長(zhǎng)＞a，陰極管置于陽(yáng)極的氣流上方并與陽(yáng)極的邊緣相切，陰極管的底部到陽(yáng)極的間距為a，則有效放電區(qū)截面尺寸為a×amm2，所述的陽(yáng)極塊為中空的，通冷卻液直接冷卻；所述的直流高壓電源是采用IGBT模塊的開(kāi)關(guān)電源，振蕩頻率為20KHz，半波串接高壓輸出。
所述的陽(yáng)極為寬條的管板式電極，每塊陽(yáng)極的限流電阻Rp為500～1kΩ。所述的限流電阻Rp采用油冷或風(fēng)冷。
所述的氣體導(dǎo)流板是用耐溫絕緣材料制成。所述的氣體導(dǎo)流板是用玻璃或陶瓷板制成的。
所述的陽(yáng)極尺寸與陰陽(yáng)極高度的乘積接近或稍大于光斑尺寸。
所述的激光器頭部，可以是一個(gè)或多個(gè)組件結(jié)構(gòu)單元，組裝在一密封的方箱體中，形成光學(xué)串聯(lián)的CO2激光器。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下1.根據(jù)選模的要求，設(shè)計(jì)放電電極參數(shù)，與激光模體積與放電區(qū)體積匹配，即光斑尺寸充滿(mǎn)放電區(qū)的截面尺寸，為利用率最大。
2.采用寬條陽(yáng)極的管板式電極結(jié)構(gòu)，既可提高腔內(nèi)的有效放電區(qū)長(zhǎng)度和增益，同時(shí)由于該電極的放電伏安曲線是穩(wěn)壓氣體放電特性，而不是通常氣體放電的負(fù)阻特性。因此我們采用較長(zhǎng)的電極尺寸，一是可在光軸方向上減少陽(yáng)極塊數(shù)，進(jìn)一步增長(zhǎng)有效放電區(qū)，二可減小限流電阻阻值，降低外電路中的電功損耗，這是一種進(jìn)一步提高設(shè)備電光轉(zhuǎn)換效率的措施之一。
3.所述的陽(yáng)極塊采用直接冷卻，進(jìn)一步擴(kuò)大了有效增益區(qū)，提高了輸出功率。
4.所述的直流高壓電源采用IGBT模塊開(kāi)關(guān)電源，振蕩頻率為20KHz，半橋串接高壓輸出方式，排除了低頻高壓中鐵心變壓器的損耗，提高了電源的轉(zhuǎn)換效率，電源轉(zhuǎn)換效率達(dá)80％，比低頻直流電源提高了20％。同時(shí)由于充分利用激活區(qū)，提高了電光轉(zhuǎn)換效率，同樣需要帶走的廢熱總量也減少了，采用的冷水機(jī)組的制冷能力也可降低，達(dá)到節(jié)電的目的。由于電源的轉(zhuǎn)換效率提高，原來(lái)需要采用冷卻電源的冷風(fēng)機(jī)組也可以節(jié)省了等等。最終實(shí)現(xiàn)了高輸出功率，高光電轉(zhuǎn)換效率，低階模輸出的實(shí)用的橫流CO2激光器。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的激光器結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明氣體放電室的結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖1和圖2，圖1是本發(fā)明實(shí)施例的激光器結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明氣體放電室的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明的高效率低階模CO2激光器，由激光器頭部1、大功率開(kāi)關(guān)電源2、電阻箱3和抽氣系統(tǒng)4置于一箱體內(nèi)組成，所述的激光器頭部1置于該箱體的上方，開(kāi)關(guān)電源2、電阻箱3和抽氣系統(tǒng)4分別置于該箱體下部，所述的激光器頭部1由離心風(fēng)機(jī)5、風(fēng)道6、放電室7、熱交換器8、光腔9和功率計(jì)(圖中未示)組成并組裝在一密封的立方體箱體中，離心風(fēng)機(jī)5轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，工作氣體經(jīng)過(guò)連接放電室7的風(fēng)道6實(shí)現(xiàn)循環(huán)，所述的放電室7由多塊氣體導(dǎo)流板71，72，74，75構(gòu)成，在放電室7內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流口琴73、預(yù)放電針76、陰極77和陽(yáng)極78，其特征在于所述的放電室7的氣流入口是分割均化氣流的導(dǎo)流口琴73，在氣體導(dǎo)流板71，72，74，75構(gòu)成的放電室7的窄口位置的上方是陰極77，下方為多塊陽(yáng)極78，在陰極77的上游設(shè)一排預(yù)放電針76，該預(yù)放電針76的分布是以每塊陽(yáng)極78中心為對(duì)稱(chēng)，針與針的間距為9-10mm，預(yù)放電針76的針尖與陰極管77底部相切或稍偏下，該針尖76到陰極管77中心間距為陰極管77的直徑加2～3mm，每一根預(yù)放電針通過(guò)限流電阻Rp接到直流高壓電源2；所述的陽(yáng)極78塊尺寸沿氣流方向短為a，沿陰極管77方向長(zhǎng)＞a，陰極管77置于陽(yáng)極78的氣流上方并與陽(yáng)極78的邊緣相切，陰極管77的底部到陽(yáng)極78的間距為a，則有效放電區(qū)截面尺寸為a×amm2，所述的陽(yáng)極78塊為中空，通冷卻液直接冷卻；所述的直流高壓電源2是采用IGBT模塊的開(kāi)關(guān)電源，振蕩頻率為20KHz，半波串接高壓輸出。所述的陽(yáng)極78為寬條的管板式電極，每塊陽(yáng)極的限流電阻Rp為500～1kΩ。所述的限流電阻Rp采用油冷或風(fēng)冷。
所述的陽(yáng)極尺寸與陰陽(yáng)極高度的乘積接近或稍大于光斑尺寸。
所述的激光器頭部1，可以是一個(gè)或多個(gè)組件結(jié)構(gòu)單元，組裝在一密封的方箱體中，形成光學(xué)串聯(lián)的CO2激光器。
所述的放電室7采用寬條陽(yáng)極的管板式電極結(jié)構(gòu)，具體見(jiàn)附圖2。圖中71，72，74，75為氣體導(dǎo)流板，用玻璃或陶瓷板等耐溫絕緣材料制成。73是分割均化氣流的導(dǎo)流口琴，使得流過(guò)放電室的氣流密度均勻。76是一排預(yù)放電針，通過(guò)限流電阻Rp接到直流高壓電源2上，在預(yù)放電針76和陰極77之間進(jìn)行氣體放電，對(duì)陰極77和陽(yáng)極78之間的主放電的上游端陰極77表面上產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)電離源。在主電場(chǎng)的作用下，陰極77和陽(yáng)極78之間實(shí)現(xiàn)大體積的均勻放電，預(yù)放電針76的分布是以每個(gè)陽(yáng)極中心為對(duì)稱(chēng)，針與針的間距為9-10mm，該放電針針76的針尖與陰極管77底部相切或稍偏下，針尖到陰極管中心間距為陰極管直徑加2～3mm，工作時(shí)每根放電針76的電流在1.0～1.3mA。
本發(fā)明的陽(yáng)極78塊尺寸沿氣流方向短為a，沿陰極管77方向長(zhǎng)＞a，陰極管77置于陽(yáng)極78的氣流上方，與陽(yáng)極78的邊緣相切，陰極管77的底部到陽(yáng)極78的間距為a，則有效放電區(qū)截面尺寸為a×amm2，選用直徑為a的光闌，則輸出激光模式為某一種單橫模。根據(jù)應(yīng)用目的，確定選擇激光振蕩模式及光斑尺寸，再調(diào)整放電電極參數(shù)，使電極尺寸與陰陽(yáng)極高度的乘積接近或稍大于光斑尺寸，以獲得最大的激光輸出和電光轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的陽(yáng)極78塊為中空的，通冷卻液直接冷卻，以降低陽(yáng)極78表面溫度，提高增益。
由于本發(fā)明采用了上述寬條陽(yáng)極的管板式電極結(jié)構(gòu)，根據(jù)其穩(wěn)壓氣體放電特性，每塊電極的限流電阻降到500～1kΩ，是通常的管板電極的限流電阻的1/5～1/10，大大降低了外電路中電功率損耗。
本發(fā)明的直流高壓電源是采用IGBT模塊開(kāi)關(guān)電源，振蕩頻率為20KHz，半波串接高壓輸出。其中一組是供給預(yù)放電用的直流高壓電源，另一組是提供主放電激勵(lì)的直流電感等高能耗元件，提高了電源的轉(zhuǎn)換效率，縮小了體積，減輕了重量，電源從交流AC到直流DC的轉(zhuǎn)換效率達(dá)80％。
本發(fā)明實(shí)施了一臺(tái)激光器，該激光器由兩個(gè)獨(dú)立的激光器裝置組裝在一個(gè)箱體中，同一個(gè)光學(xué)諧振腔振蕩輸出。每個(gè)激光裝置中的陽(yáng)極78板的電極塊尺寸是20mm×60mm，共計(jì)17塊，電極塊的間隔為5mm，陰極77到陽(yáng)極78的間距為21mm，每塊陽(yáng)極78塊對(duì)應(yīng)的預(yù)放電針76為6根，共計(jì)102根。每個(gè)陽(yáng)極78串入的限流電阻為800Ω。激光諧振腔采用內(nèi)腔光闌選模，光闌直徑為Φ21mm，在激光室內(nèi)充入氦、氮、二氧化碳混合氣體，比例為CO2∶N2∶He＝1∶8∶11，總氣壓為60×133.3Pa時(shí)，總放電電流為11.6A，輸出功率為3.2KW，輸出模式為T(mén)EM11模，直接光電轉(zhuǎn)換效率約14％，若多模輸出光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)20％。在陽(yáng)極78限流電阻上消耗功率為3166W，輸入總電功率為33000W，總的轉(zhuǎn)換效率約10％。
作為對(duì)比，采用晶閘管模塊調(diào)壓電源供電的普通管板式電極結(jié)構(gòu)的激光器，其陽(yáng)極尺寸為15×40mm，陽(yáng)極塊間隔為5mm，共110塊，陰極高度為24mm，在相同的光腔條件下，采用Φ21光闌選模，工作氣壓需充到80×133.3Pa，輸出低階模功率3.2KW時(shí)，直接光電轉(zhuǎn)換效率為10％。每塊陽(yáng)極78塊限流電阻值為5.1KΩ，共110個(gè)。每塊電極的平均電流為0.11A，在電阻上消耗電功率共約6800W，器件輸入總電功率約50KW，總光電轉(zhuǎn)換效率為6.4％。
由對(duì)比可見(jiàn)，本發(fā)明的高功率低階模輸出的激光器和普通管板式放電激光器相比較，在相同輸出的條件下，用電功率將節(jié)省18千瓦。若采用冷水機(jī)組冷卻激光器的話，冷水機(jī)組的制冷量和用電也將節(jié)省1/3。
權(quán)利要求
1.一種高效率低階模CO2激光器，由激光器頭部(1)、大功率開(kāi)關(guān)電源(2)、電阻箱(3)和抽氣系統(tǒng)(4)置于一箱體內(nèi)組成，所述的激光器頭部(1)置于該箱體的上方，開(kāi)關(guān)電源(2)、電阻箱(3)和抽氣系統(tǒng)(4)等分別置于該箱體下部，所述的激光器頭部(1)由離心風(fēng)機(jī)(5)、風(fēng)道(6)、放電室(7)、熱交換器(8)、光腔(9)和功率計(jì)組成并組裝在一密封的立方體箱體中，離心風(fēng)機(jī)(5)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，工作氣體經(jīng)過(guò)連接放電室(7)的風(fēng)道(6)實(shí)現(xiàn)循環(huán)，所述的放電室(7)由多塊氣體導(dǎo)流板(71，72，74，75)構(gòu)成，在放電室(7)內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流口琴(73)、預(yù)放電針(76)、陰極(77)和陽(yáng)極(78)，其特征在于所述的放電室(7)的氣流入口是分割均化氣流的導(dǎo)流口琴(73)，在氣體導(dǎo)流板(71，72，74，75)構(gòu)成的窄口位置的上方是陰極(77)，下方為多塊陽(yáng)極(78)，在陰極(77)的上游設(shè)一排預(yù)放電針(76)，該預(yù)放電針(76)的分布是以每塊陽(yáng)極(78)中心為對(duì)稱(chēng)，針與針的間距為9-10mm，預(yù)放電針(76)的針尖與陰極管(77)底部相切或稍偏下，該針尖(76)到陰極管(77)中心間距為陰極管(77)的直徑加2～3mm，每一根預(yù)放電針通過(guò)限流電阻Rp接到直流高壓電源(2)；所述的陽(yáng)極(78)塊尺寸沿氣流方向短為a，沿陰極管(77)方向長(zhǎng)＞a，陰極管(77)置于陽(yáng)極(78)的氣流上方并與陽(yáng)極(78)的邊緣相切，陰極管77的底部到陽(yáng)極78的間距為a，則有效放電區(qū)截面尺寸為a×amm2，所述的陽(yáng)極(78)塊為中空，通冷卻液直接冷卻；所述的直流高壓電源(2)是采用IGBT模塊的開(kāi)關(guān)電源，振蕩頻率為20KHz，半波串接高壓輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率低階模CO2激光器，其特征在于所述的陽(yáng)極(78)為寬條的管板式電極，每塊陽(yáng)極的限流電阻Rp為500～1kΩ。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高效率低階模CO2激光器，其特征在于所述的限流電阻Rp采用油冷或風(fēng)冷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率低階模CO2激光器，其特征在于所述的氣體導(dǎo)流板(71，72，74，75)是用耐溫絕緣材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高效率低階模CO2激光器，其特征在于所述的氣體導(dǎo)流板(71，72，74，75)是用玻璃或陶瓷板制成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率低階模CO2激光器，其特征在于所述的陽(yáng)極尺寸與陰陽(yáng)極高度的乘積接近或稍大于光斑尺寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效率低階模CO2激光器，其特征在于所述的激光器頭部(1)，可以是一個(gè)或多個(gè)組件結(jié)構(gòu)單元，組裝在一密封的方箱體中，形成光學(xué)串聯(lián)的CO2激光器。
全文摘要
一種高效率低階模橫流CO
文檔編號(hào)B23K26/00GK1652415SQ20051002401
公開(kāi)日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2005年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月23日
發(fā)明者歸振興, 沈華勤, 馮建中, 柳月英, 沈暉, 陸鴻飛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所