專利名稱：直管多層環(huán)布式co的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種達6萬瓦級的強功率激光裝置。
目前，國產(chǎn)高功率橫流式CO2激光器為5kW，只能切割20mm左右的鋼板；進口的高功率CO2激光器為9kW左右，可切割30mm左右的鋼板，但連續(xù)工作時間都不超過5小時。在國際上，橫流式高能CO2激光器最大激光功率為5萬瓦左右。
本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種直管多層環(huán)布式高能CO2激光器，其輸出激光功率可達6萬瓦級，它有別于橫流式或縱向流動式的大功率CO2激光器，工作介質(zhì)是靜態(tài)的，工作時無噪聲。
本發(fā)明的技術(shù)要點為一種由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、外環(huán)激光器直管，內(nèi)環(huán)激光器直管、多層環(huán)布式反射聚束組光學系統(tǒng)、帶有虛高壓特性的直流高壓電源及聚束控制機構(gòu)構(gòu)成的直管多層環(huán)布式CO2激光器。其特征如下a、直管多層環(huán)布式激光器可以是單環(huán)或多環(huán)結(jié)構(gòu)。多環(huán)結(jié)構(gòu)則有外環(huán)及若干個內(nèi)環(huán)，每一環(huán)內(nèi)可以有多根CO2激光器直管3、4。在圖1中畫出了內(nèi)環(huán)1與外環(huán)2上激光管的分布示意圖。每根直管為4.4m長的CO2激光器。本裝置的內(nèi)環(huán)與外環(huán)各均勻環(huán)布120根直管，內(nèi)環(huán)管4與外環(huán)管3均勻錯開一個相同的角度，使在反射聚束時，不阻擋外環(huán)光路，使240束反射激光束都位于同一光學錐面，射向中心軸上的反射聚束鏡B上。
在最佳工作狀態(tài)下，單管激光功率為P1=260W，這個功率對激光管透射鏡是比較安全的，可以長時間安全工作。240束激光束的總體功率水平為P2=240×260=62400W，即總體激光功率水平超過6萬瓦。各個單管的放電通道的氣路都是相通的，都處于同一氣壓，各個激光管的水冷卻系統(tǒng)都并列連通，使各管的物理及電氣特性完全一致。
b、內(nèi)環(huán)1一次反射鏡A1共120片，外環(huán)2一次反射鏡A2共120片，在本裝置中軸線Z上裝有馬達M，并跟絲桿D相連，絲杠D的另一端與非球面反射聚束鏡B連接組成直管多層環(huán)布式高能CO2激光器反射聚束組光學系統(tǒng)。每片反射鏡A對應一根激光管。內(nèi)環(huán)1與外環(huán)2在Z軸方向上錯開一個距離，內(nèi)環(huán)1的直管4與外環(huán)2的直管3在角度上有一相同的角度錯位，在結(jié)構(gòu)上作到使內(nèi)環(huán)不阻擋外環(huán)光路，并使內(nèi)、外環(huán)的反射光路都處于同一錐面上射向中心軸上的B鏡。B鏡為一按數(shù)學模型加工而成的非球面反射聚束鏡。當B鏡的位置在中軸線上進行手動或自動微調(diào)時，則可改變光束的形態(tài)-發(fā)散、平行或者是聚焦，以滿足不同的加工要求，如切割、淬火或焊接。C鏡用于加工時改變光路。如果采用4層環(huán)布結(jié)構(gòu)，每層120根8米直管，應用脈沖供電工作方式，則這種長直管多層環(huán)布式強功率CO2激光器可輸出1兆瓦的激光脈沖，則該激光器可用來作為激光武器運行。在這種情況下，C鏡可以取消。
為了保證激光器的連續(xù)可靠運行，所有光學鏡片都必須通水冷卻。對于B鏡、外環(huán)2及內(nèi)環(huán)3的240束反射激光束不是落在一點，而是離開中心呈環(huán)狀分布，而B鏡是用特殊金屬材料加工而成，其反射損耗僅為1％，能保證B鏡長時間安全工作。
環(huán)布式激光器的輸出功率為6萬瓦級，由于電源的傳輸效率及電-光轉(zhuǎn)換效率、整個激光系統(tǒng)設(shè)計為600kW的功率輸入。
考慮到元部件的耐壓程度，每根4.4m單管分為兩段分別供電，為此，共需480個相對獨立的非線性直流高壓電源對多層環(huán)布式激光器供電。
c、本裝置的直流高壓電源由三相高壓變壓器6，高壓硅堆組成的三相全波整流橋7，及在整流橋7兩端連有濾波電容C1，虛高壓發(fā)生器8，鎮(zhèn)流電阻9組成。三相變壓器6可以是一只，也可以是很多只并列運行。有多少個放電通道就需要多少個由隔離硅堆與電容組成的虛高壓發(fā)生器8相對應。本發(fā)明共有480個虛高壓發(fā)生器8和480只鎮(zhèn)流電阻9。在激光器放電通道起輝前，在放電通道上產(chǎn)生2倍于濾波電容C1上的瞬時高壓，一旦起輝后，虛高壓自動消失，完成了對激光器非線性負載的自動跟蹤。對于激光管放電通道而言，起輝電壓Vh≥28kV，穩(wěn)定工作電壓V1=15-16kV。這樣，每個放電通道的鎮(zhèn)流電阻值大大減少而成為分流均衡電阻，從而提高了電源傳輸效率，減少了高壓變壓器的容量。
本發(fā)明的優(yōu)點是該直管多層環(huán)布式CO2激光器不但保留了直管CO2激光器原有的特點，如電-光轉(zhuǎn)換效率高，工作時無噪聲，不產(chǎn)生有毒氣體，連續(xù)工作時間長，可操作性好等優(yōu)點，還克服了單一激光透鏡在通過強功率激光束時產(chǎn)生的自損破壞，提高了激光器的運行壽命，并能實現(xiàn)激光功率的分段可調(diào)，可以切割50mm左右的任何鋼板及鈦合金板。這在造船工業(yè)中具有廣泛的用途。


圖1、為直管雙層環(huán)布式CO2激光器的橫斷面示意圖1、內(nèi)環(huán)2、外環(huán)3、外環(huán)激光器直管4、內(nèi)環(huán)激光器直管圖2、為直管雙層環(huán)布式CO2激光器的結(jié)構(gòu)示意圖3、外環(huán)激光器直管4、內(nèi)環(huán)激光器直管A1、內(nèi)環(huán)反射鏡組A2、外環(huán)反射鏡組B、聚束鏡C、聚焦鏡M、馬達D、絲杠Z、中心軸圖3、為直管多層環(huán)布式CO2激光器直流高壓電源6、三相高壓變壓器7、三相高壓硅堆整流橋8、虛高壓發(fā)生器9、鎮(zhèn)流電阻10、激光管放電通道實施例，如6萬瓦直管雙層環(huán)布式CO2激光器的技術(shù)性能指標為1、輸入電壓3相380V，50Hz，總電源功率P=600kW2、激光器為雙環(huán)結(jié)構(gòu)，每環(huán)120根單管，共240根單管，單管長度L=4.4米，分兩段放電，起輝電壓Vm≥28kV，工作電壓V0=15-16kV，工作電流I=30-40mA；3、設(shè)計功率P=60kW，分2kW、3kW、4kW、6kW、10kW、15kW、20kW、30kW、60kW共9檔，分段可調(diào)；4、激光模式可以是環(huán)狀模，也可以調(diào)成準基模，聚焦后的最小光斑直徑約為2mm左右；光束的輸出形態(tài)也可按需調(diào)成發(fā)散、平行或聚焦；5、電-光轉(zhuǎn)換效率=15-20％，電源傳輸效率η≥70％6、工作時無噪聲，不產(chǎn)生有毒物質(zhì)；7、使用壽命長，連續(xù)穩(wěn)定工作時間可遠遠超過橫流式CO2大功率激光器；
8、存貯壽命長，CO2氣體消耗少，貯備2kg最佳配比的CO2激光混合氣體管內(nèi)氣體更新在5分鐘之內(nèi)可以方便更換，并維持工作半年以上。
權(quán)利要求
1．一種由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、內(nèi)環(huán)激光器直管、外環(huán)激光器直管、直流高壓電源、中心軸控制機構(gòu)成的直管多層環(huán)布式CO2激光器，其特征在于a、多層環(huán)布式CO2激光器可以為單環(huán)或多環(huán)結(jié)構(gòu)，多環(huán)結(jié)構(gòu)有外環(huán)及數(shù)個內(nèi)環(huán)，每環(huán)可以由多根CO2激光器直管組成；b、在直管多層環(huán)布式CO2激光器的中心軸上裝有馬達，馬達與絲桿連接，絲桿的另一端裝有聚束鏡，每層環(huán)體中都對應有與激光管根數(shù)相同的反射鏡組，反射鏡組的反射光都射向聚束鏡，構(gòu)成多層環(huán)布式反射聚束組光學系統(tǒng)；c、由三相高壓變壓器，高壓硅堆連接構(gòu)成三相高壓硅堆整流橋，其兩端與濾波電容連接，由一只隔離高壓硅堆及一只高壓電容構(gòu)成虛高壓發(fā)生器，每個虛高壓發(fā)生器之后連接一只鎮(zhèn)流電阻，鎮(zhèn)流電阻再分別與激光管放電通道連接，構(gòu)成直流高壓電源。
全文摘要
直管多層環(huán)布式CO
文檔編號H01S3/00GK1286512SQ9911924
公開日2001年3月7日 申請日期1999年8月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月27日
發(fā)明者史常龍, 戴立盛 申請人:中國科學院自動化研究所, 中國科學院高能物理研究所