專利名稱:直管多層環(huán)布式co的制作方法
技術(shù)領域:
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