CN103608984A - 具有气体冲洗的激光谐振器的激光设备 - Google Patents

Abstract

在一种具有至少一个气体冲洗的激光谐振器（2）的激光设备（1）中，所述激光谐振器布置在冲洗气体回路（10）中，所述冲洗气体回路在所述激光谐振器（2）的上游不仅具有用于在所述冲洗气体回路（10）中产生冲洗气体过压的低压发生器（11）而且在所述低压发生器（11）与所述激光谐振器（2）之间具有用于清洁所述冲洗气体（A）的清洁装置（12、13），其中，所述冲洗气体（A）是空气，按照本发明，所述冲洗气体回路（10）在所述激光谐振器（2）的下游在所述激光谐振器（2）与所述低压发生器（11）之间具有一个永久朝大气（15）敞开的吸入口（16），其中，由所述低压发生器（11）产生的冲洗气体低压（p₁）大于所述大气空气压强（p₀）。

Description

具有气体冲洗的激光谐振器的激光设备

技术领域

本发明涉及一种具有至少一个气体冲洗的激光谐振器的激光设备，所述激光谐振器布置在一个冲洗气体回路中，所述冲洗气体回路在所述激光谐振器的上游不仅具有用于在所述冲洗气体回路中产生冲洗气体过压的低压发生器而且在所述低压发生器与所述激光谐振器之间具有用于清洁所述冲洗气体的清洁装置。

背景技术

这种具有气体冲洗的激光谐振器的激光设备例如通过文献US2003/0227957A1已知。

在材料加工中需要具有大功率和良好的射束质量的激光，所述激光在一个长的时间段上具有高稳定性。可能导致激光运行中的不稳定性的可能的源头是激光设备中的污物（例如颗粒、湿气、有机化合物）。污物可能在激光谐振器中和在泵单元中沉积在部件例如镜上并且导致磨损或形成干扰，从而射束质量或功率在运行期间下降。这可以通过气体冲洗激光谐振器和泵单元抑制或最小化。

传统的气体冲洗在第一变型中由压缩机和用于空气处理的膜式干燥器组成并且通常设计用于显著更高的体积流量。在此，从环境中通过空气处理单元抽吸、处理冲洗气体，并且将其引导通过激光谐振器和泵单元并且在最后又释放到环境中。冲洗气体永久地从环境中更新并且因此同样必须连续地被清洁。不利的是，这些部件是昂贵并且易于磨损的。

在第二变型中，使用具有限定的质量的钢瓶中的冲洗气体，例如氮气。永久地从钢瓶中更新、处理冲洗气体，将其引导通过激光谐振器和泵单元并且在最后释放到环境中。

由文献US2003/0007537A1已知一种具有气体冲洗的激光谐振器。该系统由一个封闭的壳体（激光谐振器）组成，气体在第一步骤中从该壳体中抽吸。该气体包含污物，例如水蒸气、有机化合物和小颗粒。为了除去这些污物，在第二步骤中将该气体引导通过处理系统，其中在不同的阶段中以以下顺序实现清洁：首先，第一气体穿过第一介质例如硅胶，以便过滤水蒸气，随后气体通过有机过滤器。最后是颗粒过滤器，其用于分离颗粒。随后在第三步骤中经清洁的气体又输送给封闭的壳体（激光谐振器）。整个系统在环境压强下运行。此外，该系统借助干燥气体恢复（Regeneration）水蒸气过滤器，该干燥气体经由独立的管路可以导入过滤器或从过滤器导出。

由一开始所述的文献US2003/0227957A1已知的激光设备包括一个激光谐振器，其通过冲洗气体例如空气冲洗。冲洗气体在一个封闭的回路中被引导，在所述封闭的回路中还设有用于清洁冲洗气体的清洁装置，其中，在激光谐振器中在环境压强的情况下保持冲洗气体压强。在实际的激光运行之前以氮气充斥整个气体冲洗系统，以便除去存在于其中的污染并且减少氧气含量，并且随后以冲洗气体冲洗所述气体冲洗系统。

这些已知的气体冲洗系统的缺点在于，在环境压强下运行系统。严密地密封封闭的壳体是一个大的挑战并且不是始终可实现。因此在不密封的情况下污物可以从环境进入到气体冲洗系统中，污物可以沉积在激光部件上，而没有从冲洗气体中被过滤，由此可能损害激光运行的稳定性。

发明内容

与此相反，本发明的任务在于，如下改进具有气体冲洗的激光谐振器的激光设备，使得尽可能没有污物可以从环境到达气体冲洗中。

按照本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的激光设备解决。

按照本发明，借助冲洗气体回路实现气体冲洗，该冲洗气体回路具有用于平衡在冲洗气体回路中的泄漏损失的外部空气抽吸。该冲洗气体回路在低压发生器下游至吸入口上游在稍微过压下的情况下并且以限定的泄漏率运行。对于在冲洗气体回路中的所有部件限定最大的泄漏率。限定的但是小的泄漏率满足制造公差并且导致用于在冲洗气体回路中的颗粒和有机物质的干燥剂存储和过滤器的相应长的保压时间（Standzeit）。同时始终确保在激光谐振器中和在泵单元中的过压。通过在吸入口的上游在回流中应用节流阀可以微调回路空气量。由于泄漏率而缺少的冲洗气体又自动地经由向外不加压地敞开的冲洗气体抽吸装置输送给冲洗气体回路。通过在节流阀和最后的负载的输出过滤器上游的过压确保，没有污物可以从环境到达系统中。因此可以确保稳定的激光运行和冲洗系统的长的寿命。

本发明在另一方面也涉及一种用于冲洗如上构造的激光设备的激光谐振器的方法，具有以下步骤：

通过环境空气平衡在所述低压发生器的下游直至所述吸入口之间出现的冲洗气体泄漏损失，基于在所述吸入口与所述低压发生器之间相对于所述大气空气压强存在的低压经由所述吸入口抽吸所述环境空气。

附图说明

本发明的其他优点从说明书和附图得出。同样上述的和还将进一步列举的特征可以单独地或多个任意组合地使用。示出的和描述的实施方式不应理解为穷尽的列举，而是相反地具有用于本发明描述的示例性的特征。

唯一的图1示意性地示出具有按照本发明的冲洗气体回路的激光设备。

具体实施方式

所示激光设备1包括一个具有一种设置在其中的用于产生激光束3的固体激光介质6的、气体冲洗的激光谐振器2、一个用于激光谐振器2的光学泵浦的气体冲洗的泵单元4以及一个封闭的冲洗气体回路10，激光谐振器2和泵单元4布置在所述冲洗气体回路中。由泵单元4产生的泵浦光（Pumplicht）用5表示。在冲洗气体回路10中引导的冲洗气体是空气并且用于冲洗激光谐振器2和泵单元4，以便减少存在于其中的污物（颗粒、湿气、有机化合物）。

在激光谐振器2的上游，冲洗气体回路10不仅具有用于在冲洗气体回路10中产生冲洗气体过压的低压发生器11，而且具有在低压发生器11与激光谐振器2之间用于清洁在冲洗气体回路10中循环的冲洗气体A的清洁装置12、13。作为冲洗气体可以使用例如空气，但也可以考虑具有其他组成的气体。例如构造为通风器/鼓风机的低压发生器11用于在冲洗气体回路10中产生从约100Pa至5500Pa的范围中的过压。清洁装置可以具有用于分离包含在所述冲洗气体A中的水蒸气的干燥剂12，例如沸石或硅凝胶。为了最优地过滤不同大小的颗粒，此外，清洁装置可以具有多级的颗粒过滤器13a、用于清洁有机组分的活性炭过滤器13b和最后的超精细过滤器13c。替代地或附加地，也可以使用其他过滤器，例如紫外发光二极管和分子筛网组成的组合或用于清洁有机组分的冷阱。附加的颗粒过滤器（精细过滤器）14可以选择直接应用在激光谐振器2和泵单元3的上游和下游。因此尤其在从超精细过滤器13c至谐振器2的路径上抑制颗粒污物。

在激光谐振器2的下游，冲洗气体回路10在泵单元4与低压发生器11之间具有一个朝大气15敞开的吸入口16，其用于外部空气抽吸以平衡在冲洗气体回路10中的泄漏损失。由低压发生器11产生的冲洗气体低压p₁大于大气空气压强p₀。在低压发生器11的下游直至吸入口16之间出现的冲洗气体泄漏损失导致在吸入口16与低压发生器11之间相对于大气空气压强p₀的低压p₂（p₂<p₀），并且自动通过环境空气A平衡，该环境空气由于该低压p₂经由吸入口16被抽吸。

为了排除通过从外部进入到冲洗气体回路10中的未经清洁的空气引起的在激光谐振器2中的增加的污物，在略微过压的情况下并且以限定的泄漏率运行该系统。最大为通过激光系统的流量的10%的泄漏率已经被证实是特别有利的。由于在激光设备1中的泄漏损失和通过低压发生器11的压强升高，空气自动地经由吸入口16被输送给冲洗气体回路10。因此，在阀上没有高成本的控制单元的情况下，在冲洗气体回路10自身中抽吸量根据泄漏率自动调整。

也可以考虑具有多个相互串联或并联地布置的气体冲洗的激光谐振器和具有多个相互串联或并联地布置的气体冲洗的泵单元的冲洗气体回路。在气体冲洗的正常运行期间以在每小时5-100升的范围中的流量工作。如果激光设备1包括多个激光谐振器2或泵单元4，气体消耗可能相应增加。可选地，用于系统平衡的节流阀17可以安装在吸入口16的上游，以便可以控制冲洗气体的由制造决定的流量波动以及具有相同的冲洗气体回路的关于其冲洗气体流量不同的激光谐振器。

在接通激光设备1时应该冲洗激光谐振器2一段时间，以便确保，已经在保压时间期间积累的污物、尤其是湿气从冲洗气体回路10排出。为了缩短激光运行的启动阶段，可以以升压模式工作。这能够实现激光设备1的更快速的、更高效的冲洗，以便因此在接通过程中更快速地达到激光设备1中的所期望的条件。在此，对于启动阶段的时间段、即在激光运行之前，以增加的气流运行冲洗气体回路10。增加的气流可以通过低压发生器11控制。有利的，在此使用相应于正常运行的多倍的气流。5至20倍的范围已经被证实是有利的。为了防止在冲洗气体回路10中通过气体流动引起的负面影响以及为了使最小的冲洗气体消耗（泄漏的排放量）足够并且因此增加系统的寿命，在激光运行期间在冲洗气体回路10中以较小的气流工作。

已经证实，不是在整个激光运行持续时间上需要气体冲洗。这能够实现冲洗气体回路10的与激光运行无关的有针对性的关断和接通。在低压发生器11上调节断续的关断和接通。低压发生器可以时间控制地在一个限定的时间段后反复被接通或通过一个或多个传感器（例如湿度传感器）调节。

替代地，也可以在吸入口16与干燥剂12之间安装一个预过滤器并且在过滤器级13中省去过滤器13c。

Claims (12)

1.一种具有至少一个气体冲洗的激光谐振器（2）的激光设备（1），所述激光谐振器布置在一个冲洗气体回路（10）中，所述冲洗气体回路在所述激光谐振器（2）的上游不仅具有用于在所述冲洗气体回路（10）中产生冲洗气体过压的低压发生器（11）而且在所述低压发生器（11）与所述激光谐振器（2）之间具有用于清洁所述冲洗气体（A）的清洁装置（12、13），其中，所述冲洗气体（A）是空气，

其特征在于，所述冲洗气体回路（10）在所述激光谐振器（2）的下游在所述激光谐振器（2）与所述低压发生器（11）之间具有一个永久朝大气（15）敞开的吸入口（16），其中，由所述低压发生器（11）产生的冲洗气体低压（p₁）大于所述大气空气压强（p₀）。

2.根据权利要求1所述的激光设备，其特征在于，所述清洁装置具有用于分离包含在所述冲洗气体（A）中的水蒸气的干燥剂（12）和/或至少一个用于过滤所述冲洗气体（A）的颗粒过滤器（13）。

3.根据权利要求1或2所述的激光设备，其特征在于，所述冲洗气体回路（10）在所述激光谐振器（2）的直接上游和/或直接下游具有用于过滤所述冲洗气体（A）的颗粒过滤器（13）。

4.根据权利要求3所述的激光设备，其特征在于，所述冲洗气体回路（10）在所述吸入口（16）上游具有在所述激光谐振器（2）与所述吸入口（16）之间的节流阀（17）。

5.根据以上权利要求中任一项所述的激光设备，其特征在于，用于抽吸所述激光谐振器（2）的至少一个气体冲洗的泵单元（4）布置在所述冲洗气体回路（10）中。

6.根据权利要求5所述的激光设备，其特征在于，所述泵单元（4）在所述冲洗气体回路（10）中布置在所述激光谐振器（2）的下游、在所述激光谐振器（2）与所述吸入口（16）之间。

7.根据以上权利要求中任一项所述的激光设备，其特征在于，所述冲洗气体回路（10）在所述低压发生器（11）的下游直至所述吸入口（16）之间的泄漏率是最大为通过所述冲洗气体回路（10）的流量的10%。

8.根据以上权利要求中任一项所述的激光设备，其特征在于，在所述冲洗气体回路（10）的正常运行中对于每个气体冲洗的激光谐振器（2）流量为大约每小时5-100升。

9.根据以上权利要求中任一项所述的激光设备，其特征在于，多个相互串联或并联地布置的气体冲洗的激光谐振器（2）布置在所述冲洗气体回路（10）中。

10.根据以上权利要求中任一项所述的激光设备，其特征在于，多个相互串联或并联地布置的气体冲洗的泵单元（4）布置在所述冲洗气体回路（10）中。

11.一种用于以冲洗气体（A）冲洗根据以上权利要求中任一项所述的激光设备（1）的激光谐振器（2）的方法，其特征在于：

通过环境空气（A）平衡在所述低压发生器（11）的下游直至所述吸入口（16）之间出现的冲洗气体泄漏损失，基于在所述吸入口（16）与所述低压发生器（11）之间相对于所述大气空气压强（p₀）存在的低压（p₂）经由所述吸入口（16）抽吸所述环境空气。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述冲洗气体回路（10）的在所述低压发生器（11）的下游直至所述吸入口（16）的上游存在的泄漏率最大为通过所述冲洗气体回路（10）的流量的10%。

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