專利名稱:無氦全封閉橫流連續(xù)二氧化碳激光器的制作方法
本發(fā)明涉及氣體放電光激射器。
目前，在橫向快速流動連續(xù)CO2激光器中需大量使用稀有氣體氦，氦氣在混合氣體中所占比例為50～90%。在我國，氦氣價格昂貴，每鋼瓶(38～40立升裝)約二千元(以人民幣計算)左右，供應(yīng)也較為緊張，因此影響了激光器在工業(yè)中的推廣應(yīng)用。
在“具有高效率的高氣壓封閉式連續(xù)CO2激光器”(High-Presure Sealed CW CO2Laser With High Effciency)，(IEEE J.Quantum Electronics，Vol.QE-18，NO.3，1982年3月，第416-421頁)一文中介紹了日本三菱電氣公司的一種高氣壓、封閉式連續(xù)CO2激光器，該激光器的氣流方向、放電方向及光軸相互正交，工作氣體采用封閉循環(huán)，運轉(zhuǎn)時無須補充氣體，氣體成份為CO2∶CO∶N2∶He＝2∶1∶19∶19或為CO2∶CO∶N2∶He∶Ar＝2∶1∶18∶10∶10，其中僅有一半的氦采用氬代替，仍需充入占氣體總量25%的氦氣才能運轉(zhuǎn)。該激光器的放電電極結(jié)構(gòu)，是在陰極針的周圍均采用絕緣材料，散熱能力差，容易造成陰極針過熱而使放電不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生起弧現(xiàn)象。
在“工業(yè)用電激勵連續(xù)CO2激光器”(Electric-Discharge CW Industrial CO2Laser)，(Sov.J.Quantum Electron，12(10)，1982年10月，第1316～1320頁)一文中介紹了蘇聯(lián)烏克蘭科學院焊接研究所研制的工業(yè)用連續(xù)CO2激光器，輸出功率為1.0千瓦，采用以水代替氦，可實現(xiàn)無氦情況下運行，工作氣體成份為CO2∶N2∶He＝1∶9∶10或CO2∶N2∶H2O＝1∶9+0.4mlH2O。由于該激光器的工作氣體成份中有水蒸汽存在，所以會使殼體內(nèi)層及零部件銹蝕和破壞電氣絕緣性能，陰極針壽命僅為300小時，對激光器的長期運行及壽命均有不利影響。所用的60根陰極針要通水冷卻，給制造和維修帶來許多困難，且陰極針采用雙層絕緣材料固定，對散熱是不利的。電光轉(zhuǎn)換效率為11%，在連續(xù)CO2激光器中屬于偏低，因此需要輸入更多的電功率才能獲得所需的激光輸出功率，同時也增加了電器設(shè)備的費用。
本發(fā)明針對上述不足，提出全部以氬代氦，對激光器的陰極作了改進設(shè)計，并采用了封閉循環(huán)的制冷熱交換系統(tǒng)，從而實現(xiàn)在無氦情況下連續(xù)運轉(zhuǎn)。使氦氣供應(yīng)緊張、價格昂貴的問題得到解決。
本發(fā)明的要點在于在激光器的殼體內(nèi)充有CO2、N2、Ar等混合氣體，其比例為CO2∶N2∶Ar＝1-2∶5-15∶10-20，其總氣壓為20-70托，該混合氣體的最佳比例為CO2∶N2∶Ar＝1.5∶10∶10，壓力為58-62托。本發(fā)明陰極采用的是整體結(jié)構(gòu)，將金屬針與陶瓷封接成的組件再與金屬支撐板作整體封接，該金屬針可以是采用錸鎢材料制造，陽極可以是水冷紫銅板。本發(fā)明所采用的熱交換器可以是管翅式熱交換器，與制冷機等組成封閉循環(huán)系統(tǒng)，其制冷劑可以采用氟里昂。該激光器可以采用機械泵、充氣裝置、測量儀表和CO2、N2、Ar等高壓鋼瓶組成充排氣系統(tǒng)，風機可以是軸流式壓氣機，采用通水冷卻的電機驅(qū)動。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1.采用本發(fā)明的陰極，具有如下優(yōu)良特性(1)具有優(yōu)良的真空密封性能。由于采用了金屬針與陶瓷封接的整體陰極，經(jīng)過氦質(zhì)譜儀檢漏，從而保證了優(yōu)良的真空密封性。
(2)具有良好的導(dǎo)熱性能。本發(fā)明的陰極針的工作部份處于激光器內(nèi)部，工作時所產(chǎn)生的大部份熱量被流動的工作氣體帶走，剩余熱量則由暴露在外部的陰極針尾部(接線端)和支撐板與大氣對流而耗散掉。
(3)接線及檢修方便。由于針的尾部暴露在外部，接線和檢修非常方便，同時也消除了因內(nèi)部接線而使充排氣速率大大降低的弊病。陰極可采用整體折卸和整體安裝，因而更換方便。
(4)運行穩(wěn)定、工作可靠。本發(fā)明的陰極已運行半年以上未發(fā)現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象。
2.熱交換系統(tǒng)具有優(yōu)良的熱交換能力。通過放電區(qū)以后的高溫工作氣體與熱交換器的溫差在70℃以上，該氣體與熱交換器的翅片接觸時，得到充分冷卻，再經(jīng)風機加速送進工作區(qū)循環(huán)使用。由于采用了以氟里昂作為制冷劑的封閉循環(huán)制冷熱交換系統(tǒng)，所以熱交換效率高，熱交換器的體積小，有利于激光器的小型化。又由于熱交換系統(tǒng)采用的是封閉循環(huán)，因而不受外界水質(zhì)的影響，避免了采用通水冷卻的激光器因水中礦物質(zhì)附著在熱交換器的內(nèi)壁上而降低了熱交換能力，甚至使熱交換器堵塞而導(dǎo)致激光器無法運轉(zhuǎn)的嚴重狀況。本發(fā)明所采用的制冷熱交換系統(tǒng)，受環(huán)境溫度影響小，可在室溫32～34℃的惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運行，提高了激光器運行的穩(wěn)定性。
3.實現(xiàn)以氬代氦的無氦連續(xù)運行。雖然氬的導(dǎo)熱性能比氦差，但由于本發(fā)明采用了整體陰極結(jié)構(gòu)和采用了以氟里昂作為制冷劑的封閉循環(huán)制冷熱交換系統(tǒng)，并采用了適當?shù)幕旌蠚怏w配比，從而實現(xiàn)了以氬代氦連續(xù)運行。實驗證明，在本發(fā)明的激光器中，充入混合氣體CO2、N2、Ar后，再加入少量CO，也能獲得同樣的無氦運行的效果。
4.降低了消耗成本。氬的消耗成本僅為氦的1/80～1/100，所以既降低了成本，又能在氦資源少的國家，無須考慮氦的供應(yīng)問題，從而為橫流連續(xù)CO2激光器的推廣應(yīng)用開辟了廣闊的前景。
以下結(jié)合附圖對發(fā)明作進一步的詳細描述。
圖1為激光器主體結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2為激光器陰極結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為制冷熱交換系統(tǒng)原理圖。
本激光器是由激光器主體和電源及其控制系統(tǒng)兩部份組成。參照圖1，陰極(1)是用152根φ1.5毫米的錸鎢針(共三排)所組成，每根針用24～30千歐的電阻作針鎮(zhèn)流電阻，每一排用100～500歐的電阻作排鎮(zhèn)流電阻。陽極(3)為水冷紫銅板，陰-陽極間距為33毫米，放電長度為740毫米。光腔(2)安裝在四根無縫鋼管固定的光橋板上，組成穩(wěn)定的光腔系統(tǒng)。全反射鏡采用鍍金銅鏡，曲率半徑為9米，反射率＞98%，輸出鏡采用復(fù)合型砷化鎵或硒化鋅平鏡，透射率為15%左右。殼體(4)由不銹鋼板焊接而成，在彎曲部份裝有導(dǎo)流板(5)，籍以改善氣流的均勻性，器件殼體的總體積為1.1立方米，實際有效容積小于1立方米。熱交換器(6)是管翅式熱交換器，制冷劑為F-12氟里昂，最大換熱量為10000大卡/小時，制冷機的最大耗水量為1.5噸/小時，冷卻水可以采用自來水，也可以循環(huán)使用。風機(7)采用單級軸流式壓氣機，利用水冷電機驅(qū)動。激光器的充排氣系統(tǒng)是采用二臺2X-8機械泵聯(lián)合排氣，實際真空度可至2×10-2托，僅需20分鐘就可排盡工作廢氣，重新?lián)Q氣。充氣裝置采用CO2、N2、Ar三個高壓鋼瓶及控制閥等組成，可以按所需比例分別充氣。
參照圖3，從蒸發(fā)器(11)來的低壓氣態(tài)制冷劑(氟里昂F-12)，被壓縮機(12)吸入，壓縮成較高壓力的熱蒸氣，然后經(jīng)過冷凝器(13)將熱量傳遞給冷卻水，而被冷凝成液體。液體制冷劑經(jīng)過熱力膨脹閥(14)被節(jié)流而降低壓力，低壓的制冷劑又進入蒸發(fā)器(11)，吸收外部熱流的熱量(即激光器放電區(qū)帶來的剩余熱量)，如此循環(huán)工作，從而達到制冷的目的。
本發(fā)明可適用于千瓦級和更高功率的無氦橫流連續(xù)CO2激光器，本發(fā)明的整體陰極或制冷熱交換系統(tǒng)還可用于其它類型的氣體激光器(如有氦橫流連續(xù)CO2激光器、縱向快速流動CO2激光器、準分子激光器等)，可提高激光的輸出指標，使運行更穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.一種無氦全封閉橫流連續(xù)CO2激光器，由陰極(1)、陽極(3)、光腔(2)、熱交換器(6)、導(dǎo)流板(5)、風機(7)、殼體(4)和充排氣系統(tǒng)組成，其特征在于在該殼體(4)內(nèi)充有CO2、N2、Ar等混合氣體，該混合氣體的比例為CO2N2Ar=1-25-1510-20，其總氣壓為20-70托；所說的陰極(1)是采用金屬針(8)與陶瓷(9)封接成的組件再封接在金屬支撐板(10)上的整體結(jié)構(gòu)。
2.一種如權(quán)利要求
1所述的無氦全封閉橫流連續(xù)CO2激光器，其特征在于所說的熱交換器(6)為管翅式熱交換器，該熱交換器(6)采用的制冷劑為氟里昂。
3.一種如權(quán)利要求
2所述的無氦全封閉橫流連續(xù)CO2激光器，其特征在于所說的金屬針(8)采用錸鎢材料制造。
4.一種如權(quán)利要求
3所述的無氦全封閉橫流連續(xù)CO2激光器，其特征在于所說的充排氣系統(tǒng)是由機械泵、充氣裝置、測量儀表和CO2、N2、Ar等高壓鋼瓶組成。
5.一種如權(quán)利要求
4所述的無氦全封閉橫流連續(xù)CO2激光器，其特征在于所說的風機(7)是采用由通水冷卻的電機驅(qū)動的軸流式壓氣機。
專利摘要
一種無氦全封閉橫流連續(xù)CO
文檔編號H01S3/223GK86100643SQ86100643
公開日1987年9月2日 申請日期1986年1月30日
發(fā)明者丘軍林, 龔志偉, 唐宗化, 孫書華 申請人:華中工學院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan