CN103490268B - 一种铜蒸气激光器及铜蒸气激光切割机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铜蒸气激光器，放电管的外面设置保温层，保温层的外面设置石英管，放电管、保温层和石英管围成真空室，放电管的内部均匀分布着铜卤化物，石英管外部设置水冷套，激光谐振腔由输出耦合镜与全反镜组成，输出耦合镜与全反镜分别位于真空室开口的各自一端，电极与保温层相连，且位于靠近全反镜的一端，真空泵与石英管相连，且位于靠近输出耦合镜的一端，其采用了纯度高的刚玉制作成放电管和不同导热率材料制成的保温层，有利激光管两端保持较高的温度；且本发明设计了铜蒸气激光器的激光电源，能承受的截止电压、峰值功率和重复频率更高。本发明还提供了一种采用上述铜蒸气激光器制成的铜蒸气激光切割机，能够进行快速精细切割。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属蒸气激光器，特别涉及一种铜蒸气激光器及由其制成的铜蒸气激光切割机。
背景技术
铜蒸气激光器作为金属蒸气激光器的一种，由于其具有较高的重复频率(5-20Hz)、在可见光波段的双波长(511nm，578nm)激光振荡中具有脉宽窄(约30ns)、功率峰值高(约200kW)、光束质量好等优点，因而在材料处理及加工等方面具有广泛的应用前景。铜蒸气激光器在加工时具有较小的热效应区，非常适合钻小直径的孔及对切割面要求较高的加工。
铜蒸气激光器需要较高的工作温度，由此带来了一系列技术上的困难。为了设法降低铜蒸气激光器的工作温度，铜蒸气激光器的工作物质经历了从纯铜、铜的卤化物、铜的有机物的演变，工作温度相应的从1500℃以上的高温降到了300-600℃。但与此同时，更深入的应用需要进一步提高铜蒸气激光器的输出功率。输出功率的提高意味着需要加大放电管的口径，而放电管口径的加大相应又会出现输出激光束的中心呈现能量降低情况，即所谓的“黑心”现象，以及趋肤效应和激光器的等离子体和激光电源的放电回路不完全匹配等问题。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷和问题，本发明提供了一种大口径的以铜卤化物为工作物质的铜蒸气激光器，通过改进放电管的材质和结构，采用氖气与氢气混合的缓冲气体，多个绝缘栅双极晶体管级联构成脉冲功率开关的激光电源，大大提高了铜蒸气激光器的输出功率和光束质量。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种铜蒸气激光器，包括放电管、保温层、石英管、水冷套、激光谐振腔、电极和真空泵，所述放电管的外面设置保温层，所述保温层的外面设置石英管，所述的放电管、保温层和石英管围成真空室，所述放电管的内部均匀分布着铜卤化物，所述的石英管外部设置水冷套，水冷套一端接地，所述激光谐振腔由输出耦合镜与全反镜组成，所述输出耦合镜与全反镜分别位于真空室开口的各自一端，所述电极与保温层相连，且位于靠近全反镜的一端，所述的真空泵与石英管相连，且位于靠近输出耦合镜的一端，在放电管内部均匀分布的铜卤化物之间设置数块隔板，所述真空室靠近全反镜一端设置缓冲气体入口，该缓冲气体入口与真空室相通，所述缓冲气体入口中加入的缓冲气体由氖气与氢气按4：1的体积比例组成，所述的真空室外部设置激光电源，该激光电源由高压直流单元、脉冲功率开关、激光管、电容器和电感组成，所述高压直流单元和脉冲功率开关并联后与第一电感串联，然后与第一电容器并联，再与第二电容器、第二电感串联后与第三电容器、第三电感、激光管并联，所述激光电源的脉冲功率开关由20个反向导通的绝缘栅双极晶体管构成。
进一步的技术方案，所述的放电管和保温层均由高纯度的三氧化二铝制成。其中，放电管由纯度为99.9％的三氧化二铝刚玉制成，保温层由具有高纯三氧化二铝的陶瓷制成。
进一步的技术方案，所述的保温层中间部分采用高热导率的陶瓷材料，两端部分采用较低的热导热率陶瓷材料制成。
进一步的技术方案，所述的水冷套由不锈钢材质制成。
本发明还提供了一种采用上述铜蒸气激光器制成的铜蒸气激光切割机，可以对铜、银等金属进行快速精细切割，也特别适合应用在半导体的制造领域。该铜蒸气激光切割机包括机床、放料架、龙门横梁、铜蒸气激光器、随动激光切割头、X轴传动机构、Y轴传动机构和控制柜，所述机床的上部设置放料架，所述的Y轴传动机构设置在机床两侧，所述龙门横梁设置在Y轴传动机构上，其与Y轴传动机构形成异面垂直，且位于放料架的顶部，所述的龙门横梁的上部设有X轴传动机构，所述的铜蒸气激光器设置在X轴传动机构上部，所述的随动激光切割头设置在龙门横梁中部，所述控制柜设置在机床的前侧面。
本发明提供了一种铜蒸气激光器，采用了纯度更高的刚玉制作成放电管和不同导热率材料制成的保温层，有利激光管两端保持较高的温度；同时，铜蒸气激光器内部充入了以氖气与氢气按4：1(体积)混合的混合气体作为缓冲气体，有效减少了激光器的“黑心”现象，增大了激光器的输出功率；而且本发明设计了特殊的铜蒸气激光器激光电源，特别是脉冲功率开关，由20个反向导通的绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成，寿命更长，能承受的截止电压、峰值功率和重复频率更高。本发明还提供了一种采用上述铜蒸气激光器制成的铜蒸气激光切割机，可以对铜、银等金属进行快速精细切割，也特别适合应用在半导体的制造领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明铜蒸气激光器的结构示意图。
图2是本发明铜蒸气激光器电源的结构示意图。
图3是本发明铜蒸气激光切割机的结构示意图。
其中：1、为放电管；2、陶瓷保温层；3、石英管；4、真空室；5、铜的卤化物；6、隔板；7、水冷套；8、输出耦合镜；9、全反镜；10、电极；11、缓冲气体入口；12、真空泵；13、机床；14、放料架；15、龙门横梁；16、铜蒸气激光器；17、随动激光切割头；18、X轴传动机构；19、Y轴传动机构；20、控制柜。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据图1所示，本发明提供的铜蒸气激光器，包括放电管、保温层、石英管、水冷套、激光谐振腔、电极和真空泵，所述放电管的外面设置保温层，所述保温层的外面设置石英管，所述的放电管、保温层和石英管围成真空室，所述放电管的内部均匀分布着铜卤化物，所述的石英管外部设置水冷套，水冷套一端接地，所述激光谐振腔由输出耦合镜与全反镜组成，所述输出耦合镜与全反镜分别位于真空室开口的各自一端，所述电极与保温层相连，且位于靠近全反镜的一端，所述的真空泵与石英管相连，且位于靠近输出耦合镜的一端。
其中，放电管由纯度99.9％的三氧化二铝刚玉制成的，保温层由高纯三氧化二铝陶瓷制成的，而且保温层中间部分和两端部分分别采用热导率不同的陶瓷材料。保温层中间部分采用热导率较高的陶瓷材料，这样有利于激光管中间部分的热量向两端扩散；而两端部分采用热导率较低的陶瓷材料，以使激光管两端保持较高的温度。为避免激光器工作时工作物质之间的放电相互串弧，在铜卤化物之间设置了数块隔板。水冷套采用不锈钢材质制成，并良好接地，既可用来散热，也可用来降低激光管放电时的感抗。在真空室靠近全反镜一端设置缓冲气体入口，该缓冲气体入口与真空室相通，该缓冲气体采用氖气与氢气按4：1体积混合的制成。氢气的加入增加了放电余辉时的弹性碰撞，从而加速了放电管内铜蒸气等离子体的冷却速度，因而有效减少了激光器的“黑心”现象，增大了激光器的输出功率。
如图2所示，本发明提供的铜蒸气激光器的激光电源设置在真空室外部，该激光电源由高压直流单元、脉冲功率开关、激光管、电容器和电感组成，所述高压直流单元和脉冲功率开关并联后与电感1串联，然后与电容器1并联，再与电容器2、电感2串联后与电容器3、电感3、激光管并联。
在工作时，高压直流单元经共振充电电路给储能电容1和电容2充电。当电容1和电容2充电到电压高于高压直流单元输出电压的两倍时，脉冲功率开关在触发信号的作用下导通，此时电容1上的电荷经电感1和脉冲功率开关形成振荡。脉冲功率开关由20个反向导通的绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成，其在约30kV截止电压、2500A峰值电流、400ns脉宽和5000Hz重复频率下工作，取代常用的闸流管。当电容1上的电荷完全反转时可饱和电感2就变为饱和，反转的电容1上的电荷与电容2上的电荷串联经电感2向激光管放电。电容3的作用主要是加速激光管内的放电过程。电感3为一电感量较大的充电电感，在高重复频率的放电过程中，它可以忽略不计。由于本发明提供的铜蒸气激光电源流经脉冲功率开关的电流与激光管的放电电流完全隔开，可大大降低脉冲功率开关的负荷。
如图3所示，本发明还提供了一种采用上述铜蒸气激光器制成的铜蒸气激光切割机，可以对铜、银等金属进行快速精细切割，也特别适合应用在半导体的制造领域。该铜蒸气激光切割机包括机床、放料架、龙门横梁、铜蒸气激光器、随动激光切割头、X轴传动机构、Y轴传动机构和控制柜，所述机床的上部设置放料架，所述的Y轴传动机构设置在机床两侧，所述龙门横梁设置在Y轴传动机构上，其与Y轴传动机构形成异面垂直，且位于放料架的顶部，所述的龙门横梁的上部设有X轴传动机构，所述的铜蒸气激光器设置在X轴传动机构上部，所述的随动激光切割头设置在龙门横梁中部，所述控制柜设置在机床的前侧面。
在工作时，将需要切割的物品放置在放料架上，通过控制柜控制Y轴传动机构和X轴传动机构的运动，龙门横梁随着Y轴传动机构上的转动而在放料架上方移动，直到移动的需要切割的物品上方，铜蒸气激光器随着X轴传动机构移动到需要切割的确切位置上，然后通过铜蒸气激光器和随动激光切割头对物品进行切割。
本发明提供了一种铜蒸气激光器，采用了纯度更高的刚玉制作成放电管和不同导热率材料制成的保温层，有利激光管两端保持较高的温度；同时，铜蒸气激光器内部充入了以氖气与氢气按4：1(体积)混合的混合气体作为缓冲气体，有效减少了激光器的“黑心”现象，增大了激光器的输出功率；而且本发明设计了特殊的铜蒸气激光器激光电源，特别是脉冲功率开关，由20个反向导通的绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成，寿命更长，能承受的截止电压、峰值功率和重复频率更高。此外，本发明还提供了一种采用上述铜蒸气激光器制成的铜蒸气激光切割机，可以对铜、银等金属进行快速精细切割，也特别适合应用在半导体的制造领域。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种铜蒸气激光器，包括放电管、保温层、石英管、水冷套、激光谐振腔、电极和真空泵，所述放电管的外面设置保温层，所述保温层的外面设置石英管，所述的放电管、保温层和石英管围成真空室，所述放电管的内部均匀分布着铜卤化物，所述的石英管外部设置水冷套，水冷套一端接地，所述激光谐振腔由输出耦合镜与全反镜组成，所述输出耦合镜与全反镜分别位于真空室开口的各自一端，所述电极与保温层相连，且位于靠近全反镜的一端，所述的真空泵与石英管相连，且位于靠近输出耦合镜的一端，其特征在于：在放电管内部均匀分布的铜卤化物之间设置数块隔板，所述真空室靠近全反镜一端设置缓冲气体入口，该缓冲气体入口与真空室相通，所述缓冲气体入口中加入的缓冲气体由氖气与氢气按4：1的体积比例组成，所述的真空室外部设置激光电源，该激光电源由高压直流单元、脉冲功率开关、激光管、电容器和电感组成，所述高压直流单元和脉冲功率开关并联后与第一电感串联，然后与第一电容器并联，再与第二电容器、第二电感串联后与第三电容器、第三电感、激光管并联，所述激光电源的脉冲功率开关由20个反向导通的绝缘栅双极晶体管构成。
2.根据权利要求1所述的一种铜蒸气激光器，其特征在于：所述的放电管和保温层均由高纯度的三氧化二铝制成。
3.根据权利要求1所述的一种铜蒸气激光器，其特征在于：所述的保温层中间部分采用高热导率的陶瓷材料，两端部分采用较低的热导热率陶瓷材料制成。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种铜蒸气激光器，其特征在于：所述的水冷套由不锈钢材质制成。
5.一种由权利要求1-4所述的任一铜蒸气激光器制成的铜蒸气激光切割机，其特征在于：包括机床、放料架、龙门横梁、铜蒸气激光器、随动激光切割头、X轴传动机构、Y轴传动机构和控制柜，所述机床的上部设置放料架，所述的Y轴传动机构设置在机床两侧，所述龙门横梁设置在Y轴传动机构上，其与Y轴传动机构形成异面垂直，且位于放料架的顶部，所述的龙门横梁的上部设有X轴传动机构，所述的铜蒸气激光器设置在X轴传动机构上部，所述的随动激光切割头设置在龙门横梁中部，所述控制柜设置在机床的前侧面。
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