專(zhuān)利名稱(chēng)：氣體激光器的氣冷陰極絕緣盒及其激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于氣體流動(dòng)型激光器，特別是二氧化碳激光器。
背景技術(shù)：
激光有多種用途，激光加工是其重要用途之一。激光加工是指利用激光進(jìn)行切割、焊接、熱處理、鉆孔和打標(biāo)等，其中激光切割占70％以上。激光切割，特別是多維精密激光切割，需要光束的質(zhì)量好，即直徑小、發(fā)散角小、功率軸對(duì)稱(chēng)分布的圓形激光束。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外用于激光加工的二氧化碳激光器，主要是橫流、軸流和近年出現(xiàn)的擴(kuò)散冷卻激光器，橫流二氧化碳激光器的增益分布不是軸對(duì)稱(chēng)的，雖然采用多折腔可獲得發(fā)散角小的激光束，但光束的功率分布不是完全軸對(duì)稱(chēng)。因此它主要用于熱處理和焊接。玻璃管軸快流二氧化碳激光器的增益分布是軸對(duì)稱(chēng)的，光束的發(fā)散角小，功率分布也是軸對(duì)稱(chēng)的。因此它廣泛應(yīng)用于激光切割。但它需要羅茲系或渦輪風(fēng)機(jī)，體積大、造價(jià)高。擴(kuò)散冷卻二氧化碳激光器。體積很小，光束不是圓形有一定的橢圓度，功率不是軸對(duì)稱(chēng)分布。
為了研發(fā)在核心技術(shù)上具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，主要用于切割的二氧化碳激光器，本人98年提出了旋流(Helical flow)激光器(中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利98113603.6)，該激光器的腔內(nèi)氣體流動(dòng)為三維螺旋形，其激光器的體積大大減小，提高了氣體激光器的光斑均勻性和光束的質(zhì)量，而制造費(fèi)用反而減小了。該激光器體積小、造價(jià)低、可獲得百瓦級(jí)到萬(wàn)瓦級(jí)的優(yōu)質(zhì)激光束。
2003年，本人在旋流(Helical flow)激光器方案的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步改進(jìn)了氣體激光器的結(jié)構(gòu)，提出轉(zhuǎn)流(Rotation flow)激光器(中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利2003125325.3)，該激光器的腔內(nèi)氣體流動(dòng)為二維旋轉(zhuǎn)，使激光器在體積大大減小的基礎(chǔ)上，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)又得以簡(jiǎn)化，便于批量加工制造。
但是，圓形金屬腔轉(zhuǎn)流激光器(中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利2003125325.3)雖然其有優(yōu)質(zhì)激光束，但依然有需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。1、其陰極的壽命小于10000小時(shí)，這是因?yàn)殛帢O是針狀金屬插在絕緣陶瓷板上，散熱不好，陰極長(zhǎng)期高溫工作壽命較短；2、激光器整體體積還要減小，但由于其各段的氣流旋向要相同，因而整體的體積還是較大，如果體積能夠再緊湊些，激光器的用料還會(huì)減少，這對(duì)于產(chǎn)品的推廣和應(yīng)用有很大的益處。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是進(jìn)一步改進(jìn)二維轉(zhuǎn)流(Rotation flow)激光器的結(jié)構(gòu)，提出一種改進(jìn)的氣體激光器的氣冷陰極絕緣盒及其激光器，提高使用壽命，提高發(fā)光效率，進(jìn)一步縮小體積，節(jié)省材料和加工費(fèi)用。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是氣體激光器的氣冷陰極絕緣盒，其特征在于陰極片與金屬散熱體裝在一起形成陰極單元，片頭露在散熱體外，散熱體中有冷氣流道，散熱體裝在絕緣盒內(nèi)。
如上所述的氣冷陰極絕緣盒，其特征在于絕緣盒的材料為陶瓷或微晶。
如上所述的氣冷陰極絕緣盒，其特征在于絕緣盒中有數(shù)個(gè)小格，每個(gè)小格中裝一個(gè)陰極單元。
圓形金屬腔轉(zhuǎn)流激光器，它有箱體、風(fēng)機(jī)、熱交換器、圓腔、電極、工作氣流、反射鏡、輸出鏡，激光器的整個(gè)圓腔分為若干段，各段的入口流道在圓腔的圓周上錯(cuò)位分布，圓腔的入口流道中心線不與腔軸相交，圓腔的出口流道中心線相對(duì)于入口流道中心線偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，其特征在于激光器的陰極有多個(gè)氣冷陰極絕緣盒，氣冷陰極絕緣盒中的陰極片與金屬散熱體裝在一起形成陰極單元，片頭露在散熱體外，散熱體中有冷氣流道，散熱體裝在絕緣盒內(nèi)。
如上所述的圓形金屬腔轉(zhuǎn)流激光器，其特征在于絕緣盒的材料為陶瓷或微晶。
如上所述的圓形金屬腔轉(zhuǎn)流激光器，其特征在于絕緣盒中有數(shù)個(gè)小格，每個(gè)小格中裝一個(gè)陰極單元。
如上所述的圓形金屬腔轉(zhuǎn)流激光器，其特征在于圓腔各段中的工作氣流方向分別為順時(shí)針和逆時(shí)針，風(fēng)機(jī)出口位于箱體中間，圓腔各段入口流道的工作氣流流向相同，圓腔中順時(shí)針段的陰極單元位于順時(shí)針段入口流道的右邊，逆時(shí)針段的陰極單元位于逆時(shí)針段入口流道的左邊。
如上所述的圓形金屬腔轉(zhuǎn)流激光器，其特征在于其特征在于圓腔入口流道的寬度小于圓腔的直徑。
如上所述的圓形金屬腔轉(zhuǎn)流激光器，其特征在于所述風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)外殼上裝有水冷片，水冷片上裝有水冷管。
本實(shí)用新型具有下列優(yōu)點(diǎn)1、陰極單元的散熱好，使用壽命長(zhǎng)，提高了激光器的發(fā)光效率?，F(xiàn)有的針狀陰極散熱不好，陰極長(zhǎng)期高溫壽命較短，不到10000小時(shí)；本實(shí)用新型的陰極為片狀，又配有金屬散熱體(如銅，鋁，或其合金等)，散熱體中的流道通有冷卻氣體，其導(dǎo)熱、散熱性大大提高，使用壽命可達(dá)15000小時(shí)以上；工作氣體的溫度降低可以提高激光器的發(fā)光效率。
2、激光器整體更為緊湊，光束質(zhì)量依然很好。采用風(fēng)機(jī)的出口位于箱體的中間結(jié)構(gòu)，并將激光腔的整個(gè)放電長(zhǎng)度分為數(shù)段，一半的出口流道偏向左，另一半的出口流道偏向右，兩部分的氣流分別為順時(shí)針和逆時(shí)針，使整個(gè)放電長(zhǎng)度上腔內(nèi)增益分布均勻，達(dá)到提高光束質(zhì)量的目的；而圓腔各段入口流道的工作氣流流向相同，圓腔中順時(shí)針段的陰極單元位于順時(shí)針段入口流道的右邊，逆時(shí)針段的陰極單元位于逆時(shí)針段入口流道的左邊，各段工作氣流流速均勻，激光器整體結(jié)構(gòu)更為緊湊。


圖1，是本實(shí)用新型激光器實(shí)施例順時(shí)針段(段1)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，圓腔1，陽(yáng)極2，水冷流道3，陰極片4，冷氣流道5，銅芯6，陶瓷盒7，熱交換器8，導(dǎo)流器9，風(fēng)機(jī)10，箱體11，入口流道12，出口流道13。箭頭表示氣流方向。
圖2，是本實(shí)用新型激光器實(shí)施例逆時(shí)針段(段2)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3，是本實(shí)用新型氣冷陰極陶瓷盒實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4，是圖3的左視圖。
圖5，是本實(shí)用新型激光器實(shí)施例的工作氣流旋向圖。其中，圖5a是各段旋向相同，圖5b是各段旋向不同；F1、F2氣流方向。
圖6、圖7，是本實(shí)用新型激光器風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)水冷示意圖。其中，螺釘孔14，銅管15，銅板16，電動(dòng)機(jī)定子17，螺釘18，水19。
具體的實(shí)施方式參見(jiàn)圖3，是本實(shí)用新型的氣體激光器的氣冷陰極絕緣盒實(shí)施例，它有陰極單元和絕緣盒，其特征在于陰極片4與金屬散熱體銅芯6裝在一起形成陰極單元，片頭露在銅芯6外，銅芯6中有冷氣流道5，銅芯6裝在陶瓷盒7內(nèi)。
陰極片的材料有鎢片，鉬片，或它們的合金；散熱體有銅，鋁，或它們的合金；盒體有陶瓷、微晶等絕緣體；散熱流體為氣體。
在本實(shí)施例中，陰極片4為片狀鎢片，片體嵌在銅芯6中(也可以壓在銅芯6的表面)，片頭露在銅芯6外，銅芯6中有冷氣流道5，銅芯6裝在陶瓷盒7的小格槽內(nèi)。陰極片4在激光器工作時(shí)放電產(chǎn)生熱量，陰極鎢片上的熱量以片狀的接觸面?zhèn)鹘o銅芯6，然后大部分被冷氣流道5中的冷氣從銅芯6帶走，只有少部分從陰極片4的片頭散發(fā)進(jìn)入圓腔。陰極片4嵌在銅芯6中，接觸面比傳統(tǒng)的針要大，傳熱要好很多，加上通入散熱氣體，陰極單元的散熱狀況大為改善，陰極的壽命可以從針狀的小于10000小時(shí)提高到本實(shí)用新型的15000小時(shí)以上。本實(shí)用新型的氣冷陰極絕緣盒適用于旋流的、橫流的二氧化碳和一氧化碳激光器。
使用本實(shí)用新型的氣冷陰極絕緣盒的圓形金屬腔轉(zhuǎn)流激光器實(shí)施例如圖1、圖2所示。
它有箱體11、風(fēng)機(jī)10、熱交換器8、圓腔1、陽(yáng)極2、工作氣流、反射鏡、輸出鏡，激光器的整個(gè)圓腔分為兩段，兩段的入口流道在圓腔的圓周上錯(cuò)位分布，圓腔的入口流道中心線不與腔軸相交，圓腔的出口流道中心線相對(duì)于入口流道中心線偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，其特征在于激光器的氣冷陰極絕緣盒由陰極片4、銅芯6和陶瓷盒7構(gòu)成，陰極片4為片狀，片體嵌在銅芯6中，片頭露在銅芯6外，銅芯6中有冷氣流道5，銅芯6連接在陶瓷盒7上。
當(dāng)圓腔1中的工作氣流為圖5a所示的旋向相同時(shí)(順時(shí)針旋轉(zhuǎn))，段1的入口氣流F1從下向上，再?gòu)纳舷蛳?，?的入口流道在上方；段2的入口氣流F2從下向上，段2的入口流道在下方。入口氣流F1比F2多兩個(gè)90度的拐彎，影響了F1的流速，使增益不均勻，發(fā)光效率下降。
本實(shí)用新型實(shí)施例中的兩段的旋向不同，見(jiàn)圖5b(F1逆時(shí)針，F(xiàn)2順時(shí)針)。段1的入口氣流F1從下向上，段1的入口流道在下方；段2的入口氣流F2也是從下向上，段2的入口流道也在下方；兩段的工作氣流的流向相同。F1、F2同在下方，其流速均等，增益均勻，發(fā)光效率提高；激光器的結(jié)構(gòu)也比較緊湊，用料大為節(jié)省，有利于降低成本。
圖中所有箭頭表示氣流方向。氣流由風(fēng)機(jī)10產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流器9進(jìn)入圓腔1。載著因腔內(nèi)放電產(chǎn)生的熱量，通過(guò)熱交換器8后回到風(fēng)機(jī)10，進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，使腔內(nèi)溫度穩(wěn)定。
為了提高激光器工作的穩(wěn)定性，在風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的外殼上安裝水冷片16，水冷片上裝有冷水管15，通入冷水進(jìn)行冷卻。其結(jié)構(gòu)如圖6和圖7所示。
本實(shí)用新型實(shí)施例的圓形金屬腔轉(zhuǎn)流激光器，具有以下特征1、腔壁是金屬，有利于腔內(nèi)散熱冷卻。
2、腔體是圓形，有利于腔內(nèi)增益圓形分布的均勻性。
3、采用圓腔入口流道的中心線不與腔軸相交，圓腔出口流道相對(duì)其入口流道偏轉(zhuǎn)一定角度，使氣流在腔內(nèi)偏轉(zhuǎn)一定角度，形成轉(zhuǎn)流，以提高腔內(nèi)增益圓周分布的均勻性。
4、采用風(fēng)機(jī)的出口位于箱體的中間，并將整個(gè)放電長(zhǎng)度分為兩段，一段的出口流道偏向左，另一段的出口流道偏向右，兩段的氣流分別為順時(shí)針和逆時(shí)針，提高整個(gè)放電長(zhǎng)度上腔內(nèi)增益分布的均勻性，達(dá)到提高光束質(zhì)量的目的。
5、采用氣冷陰極陶瓷盒，降低陰極工作溫度，提高陰極壽命。同時(shí)降低因陰極發(fā)熱而提高的腔內(nèi)溫升。每個(gè)陶瓷盒有數(shù)個(gè)相互絕緣的陰極單元，每個(gè)陰極單元由片狀高熔金屬電極和銅芯組成，每個(gè)銅芯具有冷氣流道。
6、為了防止因風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)線圈發(fā)熱導(dǎo)致增益介質(zhì)的污染，不是采用電動(dòng)機(jī)定子外殼上打孔或提高電動(dòng)機(jī)容量，而是采用風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)外殼裝水冷片，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的良好散熱。
上述六項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)適用于旋流二氧化碳和一氧化碳激光器。其中風(fēng)機(jī)出口位于箱體中間，氣冷陰極陶瓷盒和風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)水冷片等三項(xiàng)技術(shù)還適用于橫流二氧化碳激光器。
本實(shí)用新型實(shí)施例的激光器，體積小、造價(jià)低、可獲得百瓦級(jí)到萬(wàn)瓦級(jí)，主要用于切割和焊接的優(yōu)質(zhì)激光束。
權(quán)利要求1.氣體激光器的氣冷陰極絕緣盒，其特征在于陰極片與金屬散熱體裝在一起形成陰極單元，片頭露在散熱體外，散熱體中有冷氣流道，散熱體裝在絕緣盒內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的氣冷陰極絕緣盒，其特征在于絕緣盒的材料為陶瓷或微晶。
3.如權(quán)利要求1所述的氣冷陰極絕緣盒，其特征在于絕緣盒中有數(shù)個(gè)小格，每個(gè)小格中裝一個(gè)陰極單元。
4.圓形金屬腔轉(zhuǎn)流激光器，它有箱體、風(fēng)機(jī)、熱交換器、圓腔、電極、工作氣流、反射鏡、輸出鏡，激光器的整個(gè)圓腔分為若干段，各段的入口流道在圓腔的圓周上錯(cuò)位分布，圓腔的入口流道中心線不與腔軸相交，圓腔的出口流道中心線相對(duì)于入口流道中心線偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，其特征在于激光器的陰極有多個(gè)氣冷陰極絕緣盒，氣冷陰極絕緣盒中的陰極片與金屬散熱體裝在一起形成陰極單元，片頭露在散熱體外，散熱體中有冷氣流道，散熱體裝在絕緣盒內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的圓形金屬腔轉(zhuǎn)流激光器，其特征在于絕緣盒的材料為陶瓷或微晶。
6.如權(quán)利要求4所述的圓形金屬腔轉(zhuǎn)流激光器，其特征在于絕緣盒中有數(shù)個(gè)小格，每個(gè)小格中裝一個(gè)陰極單元。
7.如權(quán)利要求4或5或6所述的圓形金屬腔轉(zhuǎn)流激光器，其特征在于圓腔各段中的工作氣流方向分別為順時(shí)針和逆時(shí)針，風(fēng)機(jī)出口位于箱體中間，圓腔各段入口流道的工作氣流流向相同，圓腔中順時(shí)針段的陰極單元位于順時(shí)針段入口流道的右邊，逆時(shí)針段的陰極單元位于逆時(shí)針段入口流道的左邊。
8.如權(quán)利要求4或5或6所述的圓形金屬腔轉(zhuǎn)流激光器，其特征在于圓腔入口流道的寬度小于圓腔的直徑。
9.如權(quán)利要求4或5或6所述的圓形金屬腔轉(zhuǎn)流激光器，其特征在于所述風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)外殼上裝有水冷片，水冷片上裝有水冷管。
專(zhuān)利摘要氣體激光器的氣冷陰極絕緣盒及其激光器，它有箱體、風(fēng)機(jī)、熱交換器、圓腔、電極、工作氣流、反射鏡、輸出鏡，激光器的整個(gè)圓腔分為若干段，各段的入口流道在圓腔的圓周上錯(cuò)位分布，圓腔的入口流道中心線不與腔軸相交，圓腔的出口流道中心線相對(duì)于入口流道中心線偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，其特征在于激光器的陰極有多個(gè)氣冷陰極絕緣盒，氣冷陰極絕緣盒中的陰極片與金屬散熱體裝在一起形成陰極單元，片頭露在散熱體外，散熱體中有冷氣流道，散熱體裝在絕緣盒內(nèi)。氣冷陰極壽命可達(dá)15000小時(shí)以上。
文檔編號(hào)H01S3/22GK2894003SQ20062009579
公開(kāi)日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2006年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月24日
發(fā)明者李再光 申請(qǐng)人:李再光