專利名稱：千瓦級橫流二氧化碳激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種激光工作物質(zhì)為二氧化碳(CO2)的輸出功率千瓦級的橫流二氧化碳激光器。適用于激光加工和熱處理。特別適用于發(fā)動機缸體、缸套的激光淬火。
已有技術(shù)1．中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所陳可心等人研制的“密封長壽命千瓦級橫流CO2激光器”。(公開于《中國激光》1986年第10卷第8期470～486)，激光器由激光器主體和直流高壓電源兩部分組成。激光器主體由低速軸流風(fēng)機、熱交換器、放電盒、彎管、光腔和底座構(gòu)成。
2．中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所程兆谷等人研制的“長壽命密封運轉(zhuǎn)工業(yè)用5kW橫流CO2激光器”(公開于《中國激光》1990,12，第17卷增刊“激光器件專集”)。激光器的整機呈立式，有兩臺兩級8000轉(zhuǎn)/分的高速風(fēng)機并聯(lián)運行、具有雙放電通道。放電室采用脈沖予電離針一條電極結(jié)構(gòu)。
上述兩種激光器的主體與電源是分立的，整機結(jié)構(gòu)比較松散、體積較龐大、調(diào)試和維修不方便、操作起來較復(fù)雜。
本實用新型的目的為克服已有技術(shù)中存在的不足之處，提出一種激光器的主體和電源一體化，結(jié)構(gòu)比較緊湊，調(diào)試和維修方便，操作簡單的激光工作物質(zhì)為CO2的輸出功率千瓦級的橫流CO2激光器。
本實用新型的橫流CO2激光器包括由上箱殼15構(gòu)成的上箱體1和由下箱殼14構(gòu)成的下箱體12構(gòu)成一體化的整機箱體。
所說的激光器主體包括放電室7，熱交換器3、風(fēng)機系統(tǒng)4、進口導(dǎo)流器5、出口導(dǎo)流器2以及光學(xué)諧振腔6。其中，前五大組件構(gòu)成了工作氣體的循環(huán)通道，置于密封的上箱體1內(nèi)。放電室7具有一體化結(jié)構(gòu)，作為主放電的電極——陰極管和陽極板列陣與作為預(yù)放電的梳狀預(yù)放電針及導(dǎo)流玻璃安置于放電室7框架的相應(yīng)調(diào)節(jié)機構(gòu)上。因此，陰極管、陽極板列陣、梳狀預(yù)放電針三者的相對位置可經(jīng)調(diào)節(jié)機構(gòu)一次統(tǒng)調(diào)到位。
置于上箱體1內(nèi)的風(fēng)機系統(tǒng)4包括離心式風(fēng)機和水冷式電動機。離心式風(fēng)機為帶有增強葉輪強度的端面法蘭的雙進風(fēng)圓葉輪離心式風(fēng)機。
置于上箱體1內(nèi)的熱交換器3是采用熱傳導(dǎo)性能好的紫銅材料制成的復(fù)合管翅式的熱交換器。
置于上箱體1內(nèi)的進口導(dǎo)流器5是由多片導(dǎo)流片構(gòu)成呈口琴格子形的整流結(jié)構(gòu)，以保證進入放電室7內(nèi)的氣體流量均勻，放電區(qū)能夠獲得均勻的流場，從而保證放電的均勻性。出口導(dǎo)流器2內(nèi)含有能夠起分流作用的多片導(dǎo)流片。
本實用新型激光器的光學(xué)諧振腔6是內(nèi)腔式的，其全反鏡腔頭和輸出耦合鏡腔頭分別通過波紋管與上箱體1聯(lián)接，并固定在單梁光橋的兩端，構(gòu)成光腔，兩腔頭及光橋具有各自的調(diào)整及鎖緊機構(gòu)。
置于下箱體12內(nèi)有激光電源10，對放電室7內(nèi)進行充放氣的充放氣系統(tǒng)8，真空泵9，用于主放電的具有浸油水冷卻的鎮(zhèn)流電阻箱11和控制盒13。
本實用新型的優(yōu)點1．本實用新型的激光器主體和激光電源同置于一箱體內(nèi)，實現(xiàn)激光器整機一體化、結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝調(diào)試和維修、操作方便。
2．本實用新型的放電室7內(nèi)的陰一陽極和預(yù)放電針均固定于具有調(diào)節(jié)機構(gòu)的同一個放電室內(nèi)的框架上，構(gòu)成了一體化的放電室。與已有技術(shù)相比，調(diào)試和維修均較方便。
3．因為進口導(dǎo)流器5的內(nèi)部結(jié)構(gòu)含有多片導(dǎo)流片構(gòu)成口琴格子形的結(jié)構(gòu)，才能在放電室7內(nèi)獲得均勻的流場，從而保證了放電的均勻性。出口導(dǎo)流器2含有分流氣體的導(dǎo)流片，促使進入熱交換器3內(nèi)的氣流均勻，提高了熱交換器3的轉(zhuǎn)換效率，也就提高了激光器的工作效率(包括光電轉(zhuǎn)換效率和量子效率)。
4．由于放電室7，熱交換器3，進口導(dǎo)流器5，出口導(dǎo)流器2和風(fēng)機系統(tǒng)4均置于上箱體1之內(nèi)，隨之帶來上述組件的結(jié)構(gòu)和外形均不同于已有技術(shù)。如風(fēng)機系統(tǒng)4是由鼠籠形狀雙進風(fēng)圓葉輪離心式風(fēng)機和帶水冷的電動機構(gòu)成，比已有技術(shù)中所用的軸流風(fēng)機(或正切風(fēng)機)及一般的離心式風(fēng)機壓頭高，流量大，而且體積小，因此能夠使整機的體積小型化。


圖1為本實用新型激光器整機的結(jié)構(gòu)示意圖圖1-1為激光器內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖圖1-2為激光器外部結(jié)構(gòu)正視示意圖圖2為本實用新型激光器在實施例中獲得具有代表性的放電伏安V-I特性曲線，激光功率N，電光轉(zhuǎn)換效率η與工作電壓V，工作電流I及工作氣壓P的關(guān)系曲線。
實施例如圖1所示的結(jié)構(gòu)，制成HJ-1000型CO2激光器，用于汽車發(fā)動機的缸體和缸套的激光淬火上，獲得了良好的效果。
對照附圖和上述靜態(tài)描述的結(jié)構(gòu)特征，再進一步，用動態(tài)描述本實用新型的結(jié)構(gòu)。由置于下箱體12的控制盒13控制，首先啟動真空泵9排出放電室7內(nèi)的空氣，通過充放氣系統(tǒng)8充入激光器的工作氣體CO2，啟動激光電源10，放電室7內(nèi)陰-陽極之間開始均勻地放電，放電區(qū)域內(nèi)光學(xué)諧振腔6起作用產(chǎn)生激光振蕩，在構(gòu)成光學(xué)諧振腔6的輸出耦合鏡端有激光束輸出。放電后，放電室7內(nèi)的CO2氣體通過含有能夠起分流作用的多片導(dǎo)流片的出口導(dǎo)流器2，使CO2氣體均勻地進入熱交換器3，在熱交換器3內(nèi)使CO2氣體充分地冷卻，熱交換器3的熱量由風(fēng)機系統(tǒng)4排出箱體外。經(jīng)過冷卻后的CO2氣體再由進口導(dǎo)流器5重新進入放電室7供再次放電使用。依此類推循環(huán)上述過程。正如上述的進口導(dǎo)流器5是由多片導(dǎo)流片構(gòu)成的呈口琴格子形的結(jié)構(gòu)，使進入放電室7內(nèi)的氣體流量均勻，放電區(qū)內(nèi)能夠獲得均勻的流場，從而保證放電的均勻性。所以獲得下述良好的工作參數(shù)。
激光器的主要性能指標(biāo)是最大輸出功率為1000瓦(多模)；額定輸出功率為800瓦；功率不穩(wěn)定度≤±2％；密封連續(xù)工作壽命≥8小時/每一次充氣；運轉(zhuǎn)噪聲≤72dB。
所測得激光器的特性如圖2中的曲線所顯示。
1．從圖2中的伏安V-I特性曲線看出，工作電壓V隨工作電流的增加變化不大，且顯略有下降的趨勢，表明工作氣體的放電正處在對放電所期望的正常輝光放電區(qū)。同時，顯示出工作電壓V隨工作氣壓P的上升而上升的正常規(guī)律。
2．從激光功率N與工作電流I及氣壓P的關(guān)系曲線表明在正常輝光放電條件下，激光功率N隨著工作電流I的增加，呈線性增加趨勢，尤其當(dāng)工作氣壓P低于80乇時，激光功率N＞1kW，仍未出現(xiàn)功率“飽和”現(xiàn)象，這表明了該激光器的激光輸出能力超過了設(shè)計能力(1kW)。同時看出當(dāng)激光器處于“最佳”的工作氣壓范圍P=50～70乇時，激光功率N是隨工作氣壓P(氣體密度)增加而上升。
3．由電光轉(zhuǎn)換效率η(％)曲線表明當(dāng)激光器的工作氣壓P選擇為50～70乇時，激光器的光電轉(zhuǎn)換效率η(％)一直處于上升趨勢，而且激光器的功率“貯備”比較多，激光輸出穩(wěn)定性比較好。
權(quán)利要求1．一種千瓦級橫流二氧化碳激光器，包含有由放電室(7)、熱交換器(3)、風(fēng)機系統(tǒng)(4)、進口導(dǎo)流器(5)和出口導(dǎo)流器(2)的五大組件構(gòu)成的工作氣體循環(huán)通道和光學(xué)諧振腔(6)所構(gòu)成的激光器主體以及激光電源(10)，其特征在于具體結(jié)構(gòu)是①激光器包括由上箱殼(15)構(gòu)成的上箱體(1)和由下箱殼(14)構(gòu)成的下箱體(12)構(gòu)成一體化的整機箱體；②在上箱體(1)內(nèi)置有由放電室(7)，熱交換器(3)，風(fēng)機系統(tǒng)(4)和進出口導(dǎo)流器(5)、(2)五大組件構(gòu)成的工作氣體循環(huán)通道，在下箱體(12)內(nèi)置有激光電源(10)，充放氣系統(tǒng)(8)，真空泵(9)，鎮(zhèn)流電阻箱(11)和控制盒(13)；③置于上箱體(1)內(nèi)的放電室(7)含有的主放電陰極管-陽極板列陣和予放電的梳狀予放電針以及導(dǎo)流玻璃是置于放電室的帶有調(diào)節(jié)機構(gòu)的框架上，構(gòu)成了一體化的放電室；④置于上箱體(1)內(nèi)的風(fēng)機系統(tǒng)(4)包括離心式風(fēng)機和水冷式電動機；⑤置于上箱體(1)內(nèi)的進口導(dǎo)流器(5)是由多片導(dǎo)流片構(gòu)成呈口琴格子形的整流結(jié)構(gòu)，出口導(dǎo)流器(2)含有能夠起分流作用的多片導(dǎo)流片。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的一種二氧化碳激光器，其特征在于熱交換器(3)是紫銅材料制成的復(fù)合管翅式的。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的一種二氧化碳激光器，其特征在于風(fēng)機系統(tǒng)(4)中的離心式風(fēng)機是帶有增強葉輪強度的端面法蘭的雙進風(fēng)圓葉輪離心式風(fēng)機。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的一種二氧化碳激光器，其特征在于激光器的光學(xué)諧振腔(6)是內(nèi)腔式的，其全反鏡腔頭和輸出耦合鏡腔頭分別通過波紋管與上箱體(1)聯(lián)接，并固定于單梁光橋兩端，構(gòu)成光腔，兩腔頭及光橋具有各自的調(diào)整與鎖緊機構(gòu)。
專利摘要一種千瓦級橫流二氧化碳激光器,用于激光加工和熱處理。激光器的整機呈一體化的箱體。箱體的上箱體中置有一體化的放電室、熱交換器、風(fēng)機系統(tǒng)、進出口導(dǎo)流器以及光學(xué)諧振腔,箱體的下箱體中置有激光電源、充放氣系統(tǒng)、真空泵、鎮(zhèn)流電阻箱和控制盒。與已有技術(shù)相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝調(diào)試和維修方便、激光器的工作效率高,整機的體積可以小型化的特點。
文檔編號H01S3/04GK2333103SQ97241788
公開日1999年8月11日 申請日期1997年9月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月26日
發(fā)明者沈俊泉, 陸培華, 歸振興, 奚全新, 沈華勤, 高惠學(xué), 郭世海 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所