CN102157895A

CN102157895A - 高功率激光器的机械光闸

Info

Publication number: CN102157895A
Application number: CN2011100650951A
Authority: CN
Inventors: 王又青; 李波; 杨扬; 贺昌玉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2031-03-17
Also published as: CN102157895B

Abstract

本发明公开了一种高功率激光器的机械光闸，包括进给机构、导向机构和能量吸收机构，导向机构包括光闸盒，光闸盒内安装有光闸旋转体，光闸盒一侧安装有半导体红光发生器，光闸旋转体的前端安装有与半导体红光发生器中心位于同一水平线上的红光反射镜，尾端安装有光闸镜；进给机构包括与光闸旋转体中部的转动轴连接的旋转气缸；能量吸收机构位于光闸镜的一侧，包括吸收体光阑、吸收壳体以及吸收壳体内吸收能量的吸收体芯，吸收体光阑设有与半导体红光发生器中心对应的长圆形开孔。本发明克服了现有光闸镜存在的导向不稳定、运动位移偏差大、能量吸收面积小、一级热交换的效率低的缺点，具有动作灵敏度高、红光导向稳定、能量吸收效率高的特点。

Description

高功率激光器的机械光闸

技术领域

本发明涉及激光器，具体为一种高功率激光器的机械光闸。

技术背景

机械光闸是对从谐振腔轴出射的激光进行关闭和开放控制，并对激光输出进行导向的一种装置，是轴快流气体激光器的重要部件。机械光闸主要由能够控制其运动到激光光路上并改变激光光路的全反射镜、用于吸收全反射镜所反射激光的带冷却功能的吸收壳体装置、模拟激光输出时激光方向的导向装置、以及机械光闸的外壳组成。光闸的性能评价主要涉及运动系统的动作灵敏性，能量吸收机构吸收及处理能量的能力，以及导向系统的导向稳定性等方面。其中运动系统的动作灵敏性主要取决于其运动部分的质量以及驱动部分的性能；能量吸收机构吸收及处理能量的能力则取决于吸收能量面积及热交换的效率；而导向系统的导向稳定性则取决与其自身的稳定性设计以及外界环境的影响因素，尤其是自身的运动系统的刚性冲击对它的影响，这些因素会直接影响激光加工的性能。

现有的机械光闸普遍存在导向不稳定、运动位移偏差大、能量吸收面积小、一级热交换的效率低的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的机械光闸存在的缺陷，而提供一种导向稳定、运动位移控制精确、能量吸收面积大、一级热交换的效率高的高功率激光器的机械光闸。

为实现此目的，本发明所设计的高功率激光器的机械光闸，它包括进给机构、导向机构和能量吸收机构，所述的导向机构包括光闸盒，光闸盒内安装有光闸旋转体，光闸盒一侧安装有半导体红光发生器，所述光闸旋转体的前端安装有与半导体红光发生器中心位于同一水平线上的红光反射镜，尾端安装有光闸镜；所述的进给机构包括与光闸旋转体中部的转动轴连接的旋转气缸；所述的能量吸收机构位于光闸镜的一侧，包括吸收体光阑、吸收壳体以及吸收壳体内吸收能量的吸收体芯，所述吸收体光阑设有与半导体红光发生器中心对应的长圆形开孔。

在上述技术方案中，所述的光闸镜镜面为旋转抛物面，所述光闸旋转体和光闸盒之间设有润滑垫圈；在光闸旋转体的端部安装有缓冲头；所述红光反射镜夹持与光闸旋转体之间设置有缓冲垫。

在上述技术方案中，所述旋转气缸的四周分别安装有定位接近开关，所述的旋转气缸的两端安装有速度控制阀。

在上述技术方案中，所述光闸盒上安装有半导体激光器安装板，半导体激光器安装板的一侧安装有半导体激光器夹，半导体红光发生器安装于半导体激光器夹的一侧。

进一步地，所述的半导体激光器安装板和半导体激光器夹的连接处设有定位环初步定位两者之间的相对位置关系，所述半导体激光器夹上安装有分别调整红光发生器在X、Y、Z方向上位移的红光调整螺丝。

更进一步地，所述的半导体激光器安装板和半导体激光器夹的一侧设置有弹簧拉紧装置，所述的弹簧拉紧装置包括弹簧、固定销和固定垫片，所述的固定销与半导体激光安装板固定连接，所述的固定垫片安装在半导体激光器夹上设置的坑槽内，弹簧的一端固定连接于固定垫片上，另一端固定在固定销上。

在上述技术方案中，所述吸收体芯为中空的紫铜制体，其外壁为螺旋状，其内壁底部为锥形。

进一步地，所述吸收体芯的外壁和吸收壳体的内壁构成冷却水通道，吸收壳体的下部设有冷却水通道的进水口，吸收壳体的上部设有冷却水通道的出水口。

进一步地，所述防反射板和吸收体芯的外表面经过发黑化学处理。

更近一步地，所述的吸收壳体外壳的下进水口出还设有用于监测冷却水流量的水轮流量计。

采用上述技术方案的本发明具有以下有益技术效果：

1、本发明的旋转气缸的四周分别安装有定位接近开关，通过四处定位接近开关所采集的光闸旋转体位置状态，用PLC控制器(可编程控制器)控制旋转气缸的转动，带动光闸旋转体，以及安装在其上的旋转抛物面光闸镜、红光反射镜夹持、泡沫胶缓冲垫圈、红光反射镜夹持螺母、红光反射镜转动，旋转速度通过气缸速度控制阀手动调节，由于运动部件质量较轻，结构分布合理，且转动时光闸润滑垫圈可以有效的减小摩擦阻力，因此该运动系统获得很好的动作灵敏性，同时利用橡胶缓冲头和泡沫胶缓冲垫圈可以减小运动停止时的刚性冲击；

2、本发明半导体红光固定在半导体激光器夹上，半导体激光器安装板与壳体固定，通过定位环初步定位两者间的位置关系，再调节两者间的红光调整螺丝进行微调，同时将固定有红光反射镜的红光反射镜夹持与红光镜止动定位挡块贴合，保证红光反射镜的位置，从而使红光反射后的光路方向与高功率激光器的出光方向一致，保证了高导向系统的精确性，且利用弹簧拉紧结构，保证半导体激光器夹与半导体激光器安装板的位置，提高了导向机构的稳定性；

3、本发明的光闸镜采用旋转抛物面，改变激光光路，并将圆形光斑聚焦成一点，使旋转抛物面光闸镜的焦点正位于吸收体光阑的椭圆形开孔处，激光通过吸收体光阑的椭圆形开孔后，成发散状入射到吸收体芯内进行吸收；由于吸收体芯和吸收体光阑进行发黑处理的工艺，可以有效吸收能量，并且吸收体芯和吸收体光阑的构造特点决定了反射光也只有极少能够溢出吸收壳体，确保了能量吸收的高效性；同时，吸收壳体的外壁加工成螺旋结构，能够保证吸收壳体与冷却水间热交换的高效性，而利用光闸旋转体的冷却系统冷却旋转抛物面光闸镜，也能够使系统的稳定性与耐用性得到提升，引入水轮流量计、光闸旋转体温度开关、吸收壳体外壳温度开关以及冷却水水温传感器，通过PLC进行数据监测，进一步地保证了能量吸收机构的稳定高效运行。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图；

图2为图3的C-C向剖视图；

图3为图2的B-B向剖视图；

图4为图2的A-A向剖视图；

图5为本发明的导向机构结构示意图

图6为图5中A处局部结构放大示意图；

图7为本发明中的激光导向剖面示意图；

图8为图7的底部仰视图；

图9为本发明中的能量吸收机构结构示意图；

图10为能量吸收机构中的吸收体芯结构示意图；

图中，1为光闸盒、2为光闸旋转体、3为光闸镜、4为旋转气缸、5为气缸速度控制阀、6为定位接近开关、7为红光镜止动定位挡块、8为红光反射镜夹持、9为泡沫胶缓冲垫圈、10为夹持螺母、11为红光反射镜、12为橡胶缓冲头、13为光闸润滑垫圈、14为吸收壳体、15为吸收体芯、16为吸收体光阑、17为水轮流量计、18为温度传感器、19为吸收壳体外壳温度开关、20为光闸旋转体温度开关、21为半导体激光器安装板、22为定位环、23为半导体激光器夹、24为半导体红光发生器、25为固定垫片、26为弹簧、27为固定销、28为红光调整螺丝。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1-10所示的高功率激光器的机械光闸，包括进给机构、导向机构和能量吸收机构，所述的导向机构包括光闸盒1，光闸盒1内安装有光闸旋转体2，光闸盒1一侧安装有半导体红光发生器24，所述光闸旋转体2的前端安装有与半导体红光发生器24中心位于同一水平线上的红光反射镜11，尾端安装有光闸镜3；所述的进给机构包括与光闸旋转体2中部的转动轴连接的旋转气缸4；所述的能量吸收机构位于光闸镜3的一侧，包括吸收体光阑16、吸收壳体14以及吸收壳体14内吸收能量的吸收体芯15，所述吸收体光阑16设有与半导体红光发生器24中心对应的长圆形开孔。

所述光闸旋转体2和光闸盒1之间设有光闸润滑垫圈13；在光闸旋转体2的端部安装有橡胶缓冲头12；所述红光反射镜夹持8与光闸旋转体2之间设置有泡沫胶缓冲垫圈9。当光闸旋转体2旋转到开到位状态停止的瞬间，光闸旋转体2的前部与安装在光闸盒1上的橡胶缓冲头12接触并压缩，对光闸旋转体2进行缓冲；当光闸旋转体2旋转到关到位状态停止的瞬间，旋转气缸4会带动光闸旋转体2将浮动安装在光闸旋转体2上的红光反射镜夹持8紧压在固定在光闸盒1上的红光镜止动定位挡块7上，此时红光反射镜夹持8的红光反射镜11安装面将与红光镜止动定位挡块7的定位面紧密贴合，这就使固定在红光反射镜夹持8上的红光反射镜11的反射面与红光镜止动定位挡块7的定位面间的位置关系始终保持不变，即保证了红光反射面的位置稳定性；当红光反射镜夹持8与红光镜止动定位挡块7接触时，安装在红光反射镜夹持8与光闸旋转体2之间的泡沫胶缓冲垫圈9受力压缩，对光闸旋转体2进行缓冲，减小了光闸运动停止时产生的刚性冲击，进一步提高了进给机构的稳定性。

所述旋转气缸4的四周分别安装有定位接近开关6，所述的旋转气缸4的两端安装有速度控制阀5。所述定位接近开关6连接有PLC控制器，通过PLC对光闸开、关到位的情况进行数据监测，保证了运动系统的可靠性。

所述光闸盒1上安装有半导体激光器安装板21，半导体激光器安装板21的一侧安装有半导体激光器夹23，半导体红光发生器24安装于半导体激光器夹23的一侧。光闸旋转体2以及安装在其上的旋转抛物面光闸镜3、红光反射镜夹持8、红光反射镜夹持螺母10采用铝合金材料，质量较小，而泡沫胶缓冲垫圈9和红光反射镜11的质量也很小，同时，旋转气缸4的转动轴位于光闸旋转体2的中部，旋转抛物面光闸镜3安装在光闸旋转体2尾部，红光反射镜夹持8、泡沫胶缓冲垫圈9、红光反射镜的夹持螺母10及红光反射镜11安装在光闸旋转体2的前部，这样的结构可以最大限度的降低转动惯量。而旋转气缸4作为光闸开启及关闭的驱动装置，转动速度可由气缸速度控制阀5进行控制，可获得足够的驱动力。

所述的半导体激光器安装板21和半导体激光器夹23的连接处设有定位环22初步定位两者之间的相对位置关系，所述半导体激光器夹23上安装有分别调整红光发生器24在X、Y、Z方向上位移的红光调整螺丝28，调整X方向上位移的红光调整螺丝28下端穿过半导体激光器夹23，顶端球头顶入半导体激光器安装板21上对应位置Y方向上设置的剖面呈三角形的长槽中这就限制了半导体红光发生器进行了Z方向的转动，并使X方向的转动可调；所述调整Y方向上位移的红光调整螺丝下端穿过半导体激光器夹，顶端球头顶在半导体激光器安装板的平面上，这就使半导体红光发生器Y方向的转动可调。所述调整Z方向上位移的红光调整螺丝下端穿过半导体激光器夹，顶端球头顶入半导体激光器安装板上对应位置设置的圆孔中，限制了半导体红光发生器进行了X方向、Y方向的移动，并使Z方向的移动可调。当光闸处于关到位状态时，调节这3处的红光调整螺丝28，就可最终使半导体红光发生器24射出的红光能够经过红光反射镜11的反射，与激光的出光方向达到一致，有效地保证了导向结构导向的精确性。

所述的圆柱形定位环22的一侧设置有弹簧拉紧装置，所述的弹簧拉紧装置包括弹簧26、固定销27和固定垫片25，所述的固定销27与半导体激光安装板21固定连接，所述的固定垫片25安装在半导体激光器夹23上设置的坑槽内，弹簧26的一端固定连接于固定垫片25上，另一端固定在固定销27上，采用这种拉紧结构，可以阻止红光方向调解完成后，红光的方向产生变动，并且即使产生变动，也可使其快速回复原位，进而提高了导向机构的稳定性。

本发明的能量吸收机构中，所述吸收体芯15外壁为螺旋状，底部为锥形；所述的光闸镜3镜面为旋转抛物面；吸收体芯15外壁与吸收壳体的内壁构成所述的冷却水通道。光闸旋转体2和吸收壳体外壳14上分别安装有光闸旋转体温度开关20和吸收壳体外壳温度开关19，所述的冷却水通道的进水口处设置有温度传感器18，该温度传感器18与所述的PLC控制器相连接，所述的吸收壳体外壳14的下进水口出还设有用于监测冷却水流量的水轮流量计17。

所述的光闸镜3镜面为旋转抛物面，激光经光闸镜3抛物面聚焦后反射，圆形光斑聚焦成一点，且焦点位于吸收体光阑16的椭圆形开孔处，激光通过开孔后，成发散状的入射至吸收体芯15的内壁。由于发散角度的限制，在不加大吸收体芯15长度的情况下，大部份的激光仍会到达吸收体芯15的底部，因此将吸收体芯15的底部加工成锥形，即加大了同等长度下吸收体芯15底部的吸收面积，也可以对未吸收的激光进行更大角度的发散反射，以便吸收体芯15内壁其他部位的再吸收。这种结构即保证了吸收面积利用的最大化，也保证了只有极少量的光能够重新通过吸收体光阑16狭长的椭圆形开孔溢出到吸收壳体外部。同时吸收体芯15和吸收体光阑16经过了发黑处理工艺，最大限度提高了对光的吸收率，降低了对光的反射率，确保了能量吸收的高效率。

此外，吸收体芯15的外壁加工成螺旋结构，与吸收壳体外壳14的内壁一起，形成了螺旋状的冷却水通道，增加了冷却水流动的路径，从而增加了冷却水在吸收壳体内部停留进行热交换的时间，使吸收壳体冷却更加充分。具体实施时，冷却水先经水轮流量17计由吸收壳体外壳14的下进水口进入，再通过螺旋状的冷却水通道，白下而上的由吸收壳体外壳14的上出水口流出。由于能量吸收的分散性，吸收体芯15下部较上部温升的速度快，冷却水从下部进入冷却，可以更加有效的进行热交换，并保证冷却水通道内冷却水的充满无气泡。而水轮流量计17的引入则能够更好的对冷却水的流量进行监测，保证能量吸收机构的稳定运行。

具体实施时，在光闸旋转体2也设计了冷却水通道，使紧贴在光闸旋转体2上的光闸镜3被同时冷却，不会因反射激光过程中吸收的能量而产生热变形，而影响对激光反射的效果，提高能量吸收机构的稳定运行。在光闸旋转体2、吸收壳体外壳14上分别安装了光闸旋转体温度开关20和吸收壳体外壳温度开关19，并将一温度传感器18，可采用铂电阻型温度传感器放置在冷却水的进水处，并通过PLC控制器进行各部分的温度状况的数据监测，从而保证能量吸收机构的稳定运行。

Claims

1.一种高功率激光器的机械光闸，包括进给机构、导向机构和能量吸收机构，其特征在于：

所述的导向机构包括光闸盒，光闸盒内安装有光闸旋转体，光闸盒一侧安装有半导体红光发生器，所述光闸旋转体的前端安装有与半导体红光发生器中心位于同一水平线上的红光反射镜，尾端安装有光闸镜；

所述的进给机构包括与光闸旋转体中部的转动轴连接的旋转气缸；

所述的能量吸收机构位于光闸镜的一侧，包括吸收体光阑、吸收壳体以及吸收壳体内吸收能量的吸收体芯，所述吸收体光阑设有与半导体红光发生器中心对应的长圆形开孔。

2.根据权利要求1所述的高功率激光器的机械光闸，其特征在于：所述的光闸镜镜面为旋转抛物面，所述光闸旋转体和光闸盒之间设有润滑垫圈；在光闸旋转体的端部安装有缓冲头；所述红光反射镜夹持与光闸旋转体之间设置有缓冲垫。

3.根据权利要求1所述的高功率激光器的机械光闸，其特征在于：所述旋转气缸的四周分别安装有定位接近开关，所述的旋转气缸的两端安装有速度控制阀。

4.根据权利要求1所述的高功率激光器的机械光闸，其特征在于：所述光闸盒上安装有半导体激光器安装板，半导体激光器安装板的一侧安装有半导体激光器夹，半导体红光发生器安装于半导体激光器夹的一侧。

5.根据权利要求4所述的高功率激光器的机械光闸，其特征在于：所述的半导体激光器安装板和半导体激光器夹的连接处设有定位环初步定位两者之间的相对位置关系，所述半导体激光器夹上安装有分别调整红光发生器在X、Y、Z方向上位移的红光调整螺丝。

6.根据权利要求4所述的高功率激光器的机械光闸，其特征在于：所述的半导体激光器安装板和半导体激光器夹的一侧设置有弹簧拉紧装置，所述的弹簧拉紧装置包括弹簧、固定销和固定垫片，所述的固定销与半导体激光安装板固定连接，所述的固定垫片安装在半导体激光器夹上设置的坑槽内，弹簧的一端固定连接于固定垫片上，另一端固定在固定销上。

7.根据权利要求1所述的高功率激光器的机械光闸，其特征在于：其特征在于：所述吸收体芯为中空的紫铜制体，其外壁为螺旋状，其内壁底部为锥形。

8.根据权利要求1所述的高功率激光器的机械光闸，其特征在于：所述吸收体芯的外壁和吸收壳体的内壁构成冷却水通道，吸收壳体的下部设有冷却水通道的进水口，吸收壳体的上部设有冷却水通道的出水口。

9.根据权利要求1所述的高功率激光器的机械光闸，其特征在于：所述防反射板和吸收体芯的外表面经过发黑化学处理。

10.根据权利要求1所述的高功率激光器的机械光闸，其特征在于：所述的吸收壳体外壳的下进水口出还设有用于监测冷却水流量的水轮流量计。