一種銅蒸氣激光器及銅蒸氣激光切割的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種銅蒸氣激光器，放電管的外面設(shè)置保溫層，保溫層的外面設(shè)置石英管，放電管、保溫層和石英管圍成真空室，放電管的內(nèi)部均勻分布著銅鹵化物，石英管外部設(shè)置水冷套，激光諧振腔由輸出耦合鏡與全反鏡組成，輸出耦合鏡與全反鏡分別位于真空室開口的各自一端，電極與保溫層相連，且位于靠近全反鏡的一端，真空泵與石英管相連，且位于靠近輸出耦合鏡的一端，其采用了純度高的剛玉制作成放電管和不同導(dǎo)熱率材料制成的保溫層，有利激光管兩端保持較高的溫度；且本發(fā)明設(shè)計了銅蒸氣激光器的激光電源，能承受的截止電壓、峰值功率和重復(fù)頻率更高。本發(fā)明還提供了一種采用上述銅蒸氣激光器制成的銅蒸氣激光切割機(jī)，能夠進(jìn)行快速精細(xì)切割。
【專利說明】一種銅蒸氣激光器及銅蒸氣激光切割機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬蒸氣激光器，特別涉及一種銅蒸氣激光器及由其制成的銅蒸氣激光切割機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]銅蒸氣激光器作為金屬蒸氣激光器的一種，由于其具有較高的重復(fù)頻率(5-20Hz)、在可見光波段的雙波長(51 lnm，578nm)激光振蕩中具有脈寬窄(約30ns)、功率峰值高(約200kW)、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，因而在材料處理及加工等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。銅蒸氣激光器在加工時具有較小的熱效應(yīng)區(qū)，非常適合鉆小直徑的孔及對切割面要求較高的加工。
[0003]銅蒸氣激光器需要較高的工作溫度，由此帶來了一系列技術(shù)上的困難。為了設(shè)法降低銅蒸氣激光器的工作溫度，銅蒸氣激光器的工作物質(zhì)經(jīng)歷了從純銅、銅的鹵化物、銅的有機(jī)物的演變，工作溫度相應(yīng)的從1500°C以上的高溫降到了 300-600°C。但與此同時，更深入的應(yīng)用需要進(jìn)一步提高銅蒸氣激光器的輸出功率。輸出功率的提高意味著需要加大放電管的口徑，而放電管口徑的加大相應(yīng)又會出現(xiàn)輸出激光束的中心呈現(xiàn)能量降低情況，即所謂的“黑心”現(xiàn)象，以及趨膚效應(yīng)和激光器的等離子體和激光電源的放電回路不完全匹配等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷和問題，本發(fā)明提供了一種大口徑的以銅鹵化物為工作物質(zhì)的銅蒸氣激光器，通過改進(jìn)放電管的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，采用氖氣與氫氣混合的緩沖氣體，多個絕緣柵雙極晶體管級聯(lián)構(gòu)成脈沖功率開關(guān)的激光電源，大大提高了銅蒸氣激光器的輸出功率和光束質(zhì)量。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]一種銅蒸氣激光器，包括放電管、保溫層、石英管、水冷套、激光諧振腔、電極和真空泵，所述放電管的外面設(shè)置保溫層，所述保溫層的外面設(shè)置石英管，所述的放電管、保溫層和石英管圍成真空室，所述放電管的內(nèi)部均勻分布著銅鹵化物，所述的石英管外部設(shè)置水冷套，水冷套一端接地，所述激光諧振腔由輸出耦合鏡與全反鏡組成，所述輸出耦合鏡與全反鏡分別位于真空室開口的各自一端，所述電極與保溫層相連，且位于靠近全反鏡的一端，所述的真空泵與石英管相連，且位于靠近輸出耦合鏡的一端。
[0007]進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述的放電管和保溫層均由高純度的三氧化二鋁制成。其中，放電管由純度為99.9%的三氧化二鋁剛玉制成，保溫層由具有高純?nèi)趸X的陶瓷制成。
[0008]進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述的保溫層中間部分采用高熱導(dǎo)率的陶瓷材料，兩端部分采用較低的熱導(dǎo)熱率陶瓷材料制成。
[0009]具體地，在放電管內(nèi)部均勻分布的銅鹵化物之間設(shè)置數(shù)塊隔板。[0010]進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述的水冷套由不銹鋼材質(zhì)制成。
[0011 ] 進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述真空室靠近全反鏡一端設(shè)置緩沖氣體入口，該緩沖氣體入口與真空室相通。
[0012]進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述的真空室外部設(shè)置激光電源，該激光電源由高壓直流單元、脈沖功率開關(guān)、激光管、電容器和電感組成，所述高壓直流單元和脈沖功率開關(guān)并聯(lián)后與電感I串聯(lián)，然后與電容器I并聯(lián)，再與電容器2、電感2串聯(lián)后與電容器3、電感3、激光管并聯(lián)。
[0013]具體地，脈沖功率開關(guān)由20個反向?qū)ǖ慕^緣柵雙極晶體管(IGBT)構(gòu)成。
[0014]具體地，銅蒸氣激光器使用的緩沖氣體，其由氖氣與氫氣按4:1的(體積)混合組成。
[0015]本發(fā)明還提供了一種采用上述銅蒸氣激光器制成的銅蒸氣激光切割機(jī)，可以對銅、銀等金屬進(jìn)行快速精細(xì)切割，也特別適合應(yīng)用在半導(dǎo)體的制造領(lǐng)域。該銅蒸氣激光切割機(jī)包括機(jī)床、放料架、龍門橫梁、銅蒸氣激光器、隨動激光切割頭、X軸傳動機(jī)構(gòu)、Y軸傳動機(jī)構(gòu)和控制柜，所述機(jī)床的上部設(shè)置放料架，所述的Y軸傳動機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)床兩側(cè)，所述龍門橫梁設(shè)置在Y軸傳動機(jī)構(gòu)上，其與Y軸傳動機(jī)構(gòu)形成異面垂直，且位于放料架的頂部，所述的龍門橫梁的上部設(shè)有X軸傳動機(jī)構(gòu)，所述的銅蒸氣激光器設(shè)置在X軸傳動機(jī)構(gòu)上部，所述的隨動激光切割頭設(shè)置在龍門橫梁中部，所述控制柜設(shè)置在機(jī)床的前側(cè)面。
[0016]本發(fā)明提供了一種銅蒸氣激光器，采用了純度更高的剛玉制作成放電管和不同導(dǎo)熱率材料制成的保溫層，有利激光管兩端保持較高的溫度；同時，銅蒸氣激光器內(nèi)部充入了以氖氣與氫氣按4:1 (體積)混合的混合氣體作為緩沖氣體，有效減少了激光器的“黑心”現(xiàn)象，增大了激光器的輸出功率；而且本發(fā)明設(shè)計了特殊的銅蒸氣激光器激光電源，特別是脈沖功率開關(guān)，由20個反向?qū)ǖ慕^緣柵雙極晶體管(IGBT)構(gòu)成，壽命更長，能承受的截止電壓、峰值功率和重復(fù)頻率更高。本發(fā)明還提供了一種采用上述銅蒸氣激光器制成的銅蒸氣激光切割機(jī)，可以對銅、銀等金屬進(jìn)行快速精細(xì)切割，也特別適合應(yīng)用在半導(dǎo)體的制造領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一個實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0018]圖1是本發(fā)明銅蒸氣激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明銅蒸氣激光器電源的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3是本發(fā)明銅蒸氣激光切割機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]其中:1、為放電管；2、陶瓷保溫層；3、石英管；4、真空室；5、銅的鹵化物；6、隔板；7、水冷套；8、輸出耦合鏡；9、全反鏡；10、電極；11、緩沖氣體入口 ；12、真空泵；13、機(jī)床；14、放料架；15、龍門橫梁；16、銅蒸氣激光器；17、隨動激光切割頭；18、X軸傳動機(jī)構(gòu)；19、Y軸傳動機(jī)構(gòu)；20、控制柜。【具體實(shí)施方式】
[0022]下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一個實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0023]根據(jù)圖1所示，本發(fā)明提供的銅蒸氣激光器，包括放電管、保溫層、石英管、水冷套、激光諧振腔、電極和真空泵，所述放電管的外面設(shè)置保溫層，所述保溫層的外面設(shè)置石英管，所述的放電管、保溫層和石英管圍成真空室，所述放電管的內(nèi)部均勻分布著銅鹵化物，所述的石英管外部設(shè)置水冷套，水冷套一端接地，所述激光諧振腔由輸出耦合鏡與全反鏡組成，所述輸出耦合鏡與全反鏡分別位于真空室開口的各自一端，所述電極與保溫層相連，且位于靠近全反鏡的一端，所述的真空泵與石英管相連，且位于靠近輸出耦合鏡的一端。
[0024]其中，放電管由純度99.9%的三氧化二鋁剛玉制成的，保溫層由高純?nèi)趸X陶瓷制成的，而且保溫層中間部分和兩端部分分別采用熱導(dǎo)率不同的陶瓷材料。保溫層中間部分采用熱導(dǎo)率較高的陶瓷材料，這樣有利于激光管中間部分的熱量向兩端擴(kuò)散；而兩端部分采用熱導(dǎo)率較低的陶瓷材料，以使激光管兩端保持較高的溫度。為避免激光器工作時工作物質(zhì)之間的放電相互串弧，在銅鹵化物之間設(shè)置了數(shù)塊隔板。水冷套采用不銹鋼材質(zhì)制成，并良好接地，既可用來散熱，也可用來降低激光管放電時的感抗。在真空室靠近全反鏡一端設(shè)置緩沖氣體入口，該緩沖氣體入口與真空室相通，該緩沖氣體采用氖氣與氫氣按4:1體積混合的制成。氫氣的加入增加了放電余輝時的彈性碰撞，從而加速了放電管內(nèi)銅蒸氣等離子體的冷卻速度，因而有效減少了激光器的“黑心”現(xiàn)象，增大了激光器的輸出功率。
[0025]如圖2所示，本發(fā)明提供的銅蒸氣激光器的激光電源設(shè)置在真空室外部，該激光電源由高壓直流單元、脈沖功率開關(guān)、激光管、電容器和電感組成，所述高壓直流單元和脈沖功率開關(guān)并聯(lián)后與電感I串聯(lián)，然后與電容器I并聯(lián)，再與電容器2、電感2串聯(lián)后與電容器3、電感3、激光管并聯(lián)。
[0026]在工作時，高壓直流單元經(jīng)共振充電電路給儲能電容I和電容2充電。當(dāng)電容I和電容2充電到電壓高于高壓直流單元輸出電壓的兩倍時，脈沖功率開關(guān)在觸發(fā)信號的作用下導(dǎo)通,此時電容I上的電荷經(jīng)電感I和脈沖功率開關(guān)形成振蕩。脈沖功率開關(guān)由20個反向?qū)ǖ慕^緣柵雙極晶體管(IGBT)構(gòu)成，其在約30kV截止電壓、2500A峰值電流、400ns脈寬和5000Hz重復(fù)頻率下工作，取代常用的閘流管。當(dāng)電容I上的電荷完全反轉(zhuǎn)時可飽和電感2就變?yōu)轱柡?，反轉(zhuǎn)的電容I上的電荷與電容2上的電荷串聯(lián)經(jīng)電感2向激光管放電。電容3的作用主要是加速激光管內(nèi)的放電過程。電感3為一電感量較大的充電電感，在高重復(fù)頻率的放電過程中，它可以忽略不計。由于本發(fā)明提供的銅蒸氣激光電源流經(jīng)脈沖功率開關(guān)的電流與激光管的放電電流完全隔開，可大大降低脈沖功率開關(guān)的負(fù)荷。
[0027]如圖3所示，本發(fā)明還提供了一種采用上述銅蒸氣激光器制成的銅蒸氣激光切割機(jī)，可以對銅、銀等金屬進(jìn)行快速精細(xì)切割，也特別適合應(yīng)用在半導(dǎo)體的制造領(lǐng)域。該銅蒸氣激光切割機(jī)包括機(jī)床、放料架、龍門橫梁、銅蒸氣激光器、隨動激光切割頭、X軸傳動機(jī)構(gòu)、Y軸傳動機(jī)構(gòu)和控制柜，所述機(jī)床的上部設(shè)置放料架，所述的Y軸傳動機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)床兩側(cè)，所述龍門橫梁設(shè)置在Y軸傳動機(jī)構(gòu)上，其與Y軸傳動機(jī)構(gòu)形成異面垂直，且位于放料架的頂部，所述的龍門橫梁的上部設(shè)有X軸傳動機(jī)構(gòu)，所述的銅蒸氣激光器設(shè)置在X軸傳動機(jī)構(gòu)上部，所述的隨動激光切割頭設(shè)置在龍門橫梁中部，所述控制柜設(shè)置在機(jī)床的前側(cè)面。
[0028]在工作時，將需要切割的物品放置在放料架上，通過控制柜控制Y軸傳動機(jī)構(gòu)和X軸傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，龍門橫梁隨著Y軸傳動機(jī)構(gòu)上的轉(zhuǎn)動而在放料架上方移動，直到移動的需要切割的物品上方，銅蒸氣激光器隨著X軸傳動機(jī)構(gòu)移動到需要切割的確切位置上，然后通過銅蒸氣激光器和隨動激光切割頭對物品進(jìn)行切割。
[0029]本發(fā)明提供了一種銅蒸氣激光器，采用了純度更高的剛玉制作成放電管和不同導(dǎo)熱率材料制成的保溫層，有利激光管兩端保持較高的溫度；同時，銅蒸氣激光器內(nèi)部充入了以氖氣與氫氣按4:1 (體積)混合的混合氣體作為緩沖氣體，有效減少了激光器的“黑心”現(xiàn)象，增大了激光器的輸出功率；而且本發(fā)明設(shè)計了特殊的銅蒸氣激光器激光電源，特別是脈沖功率開關(guān)，由20個反向?qū)ǖ慕^緣柵雙極晶體管(IGBT)構(gòu)成，壽命更長，能承受的截止電壓、峰值功率和重復(fù)頻率更高。此外，本發(fā)明還提供了一種采用上述銅蒸氣激光器制成的銅蒸氣激光切割機(jī)，可以對銅、銀等金屬進(jìn)行快速精細(xì)切割，也特別適合應(yīng)用在半導(dǎo)體的制造領(lǐng)域。
[0030]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種銅蒸氣激光器，包括放電管、保溫層、石英管、水冷套、激光諧振腔、電極和真空泵，其特征在于:所述放電管的外面設(shè)置保溫層，所述保溫層的外面設(shè)置石英管，所述的放電管、保溫層和石英管圍成真空室，所述放電管的內(nèi)部均勻分布著銅鹵化物，所述的石英管外部設(shè)置水冷套，水冷套一端接地，所述激光諧振腔由輸出耦合鏡與全反鏡組成，所述輸出耦合鏡與全反鏡分別位于真空室開口的各自一端，所述電極與保溫層相連，且位于靠近全反鏡的一端，所述的真空泵與石英管相連，且位于靠近輸出耦合鏡的一端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅蒸氣激光器，其特征在于:所述的放電管和保溫層均由高純度的三氧化二鋁制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銅蒸氣激光器，其特征在于:所述的保溫層中間部分采用高熱導(dǎo)率的陶瓷材料，兩端部分采用較低的熱導(dǎo)熱率陶瓷材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種銅蒸氣激光器，其特征在于:在放電管內(nèi)部均勻分布的銅鹵化物之間設(shè)置數(shù)塊隔板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種銅蒸氣激光器，其特征在于:所述的水冷套由不銹鋼材質(zhì)制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種銅蒸氣激光器，其特征在于:所述真空室靠近全反鏡一端設(shè)置緩沖氣體入口，該緩沖氣體入口與真空室相通。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種銅蒸氣激光器，其特征在于:所述的真空室外部設(shè)置激光電源，該激光電源由高壓直流單元、脈沖功率開關(guān)、激光管、電容器和電感組成，所述高壓直流單元和脈沖功率開關(guān)并聯(lián)后與電感I串聯(lián)，然后與電容器I并聯(lián)，再與電容器2、電感2串聯(lián)后與電容器3、電感3、激光管并聯(lián)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的銅蒸氣激光器，其特征在于:所述緩沖氣體入口中加入的緩沖氣體由氖氣與氫氣按4:1的(體積)混合組成。
9.一種由權(quán)利要求1-8所述的任一銅蒸氣激光器制成的銅蒸氣激光切割機(jī)，其特征在于:包括機(jī)床、放料架、龍門橫梁、銅蒸氣激光器、隨動激光切割頭、X軸傳動機(jī)構(gòu)、Y軸傳動機(jī)構(gòu)和控制柜，所述機(jī)床的上部設(shè)置放料架，所述的Y軸傳動機(jī)構(gòu)設(shè)置在機(jī)床兩側(cè)，所述龍門橫梁設(shè)置在Y軸傳動機(jī)構(gòu)上，其與Y軸傳動機(jī)構(gòu)形成異面垂直，且位于放料架的頂部，所述的龍門橫梁的上部設(shè)有X軸傳動機(jī)構(gòu)，所述的銅蒸氣激光器設(shè)置在X軸傳動機(jī)構(gòu)上部，所述的隨動激光切割頭設(shè)置在龍門橫梁中部，所述控制柜設(shè)置在機(jī)床的前側(cè)面。
【文檔編號】B23K26/38GK103490268SQ201310493274
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】聞靖 申請人:武漢市楚源光電有限公司