CN103765706A - 一种激光器设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光器设备，包括至少三个用于待激发气体的线形激光增益体(12)；连接元件(20)，用于连接相邻的激光增益三维空间，激光增益三维空间被机械地联接到其他连接元件上，并且形成一个公共的容积空间；激光增益三维空间的激发装置(50)，激发激光增益三维空间中的气体，产生激光；反射镜(22)，设于连接元件中，反射激光增益三维空间之间的激光；全反射背光镜(44)；以及部分反射耦合出镜(42)，耦合出激光束。激光增益三维空间被设置成开环或者闭环的形状，包围了激光增益三维空间之间的自由中央空间(8)。本发明还涉及一种标记物体的方法。

Description

一种激光器设备
技术领域
本发明涉及一种激光器设备，尤其是一种使用激光束标记物体的激光器设备，还涉及一种根据权利要求1和13所述的标记物体的方法。
背景技术
这种激光器设备包括：至少三个线形用于待激发气体的激光增益三维空间；以及连接元件，用于连接相邻的激光增益三维空间。激光增益三维空间被机械地相互联接并形成共同的容积空间。激光器设备还包括，用于激光增益三维空间的激发装置，用于激发激光增益三维空间中的气体，产生激光；反射镜，被设置在连接元件中，用于在激光增益三维空间之间反射激光；全反射背光镜；以及部分反射输出耦合器，用于耦合出激光束。
用于标记物体的方法是通过激光器设备实现的，该激光器设备包括：至少三个用于待激发气体的线形激光增益三维空间；以及连接元件，用于连接相邻的激光增益三维空间；用于激光增益三维空间的激发装置，用于激发激光增益三维空间中的气体，产生激光；反射镜，设置在连接元件中，用于反射激光增益三维空间之间的激光；全反射背光镜；以及部分反射输出耦合器，用于耦合出激光束。激光增益三维空间被机械地相互联接并形成共同的容积空间。
该激光器设备的输出功率是由增益体的长度决定的，尤其是输出耦合器和背光镜之间的增益体的整个线形距离。这就意味着随着功率需求的增加，激光器的长度也随之增加。由于激光器功率接近20至30瓦特，对于许多应用中，包括单个激光增益三维空间的激光器设备的长度就变得无法实现了。
如图1所示，激光器开发人员曾经使用过折叠管状空间，以横截面长度为代价，最小化激光器设备长度的增加。这些开发人员的设计方式已经通过把这些折叠部分尽可能挤压靠近，使得激光器设备的截面最小化。
然而，在许多应用中，尤其是在空间宝贵的激光标识应用中，该体型长、但截面小的激光器设计就会造成具有挑战性的，如果不是不可能的发生的，整合问题。
通常地，在这种标记应用中，该激光器设备的输出通过包括安装在振镜上的多块反射镜的扫描设备定向。这种标记系统受限于扫描设备的速度，扫描设备的速度与物体通过扫描设备的速度相关。在物体通过该扫描设备时，该扫描设备没有足够的时间写下标记。这是该扫描设备的物理限制。
另一种已知的解决方案，当物体通过该阵列的前方时，通过使用独立激光器设备阵列写下点列，来在物体上创建点阵标记。这种解决方案取得了比基于标记系统的扫描设备更快的标记速度。然而，这种解决方案的一个已知的问题是，独立激光器设备的尺寸限制了能被阵列使用激光器设备的数量，从而在一个字符中要被打印的点的数量以及代码行的数量被限制。在激光器标记技术中，这是当前工艺现状的一个公认的限制。
专利US2005/0094697A1公开了一种板条激光器或者带状线激光器，包括多个放电室以及配置在放电室之间的折叠式反射镜，用于将第一放电室射出的激光束耦合进入相邻的放电室。根据该文本可知，这些放电室可以形成正方形或者矩形的放电路径。
专利DE4029187A1描述了一种具有激光束路径的二氧化碳激光器(CO2-Laser)，包括多条折叠的光路段，其中光路段被设置成三角形或矩形形态。为至少两条光路段提供有支撑结构。
专利GB2211019A公开了一种气体激光器，包括设置成矩形的四个管路。
专利WO00/46891公开了一种气体激光器，包括多根激光管，其中该激光管被设置成矩形形状。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紧凑的激光器设备，尤其是适合于多种标记应用以及一种用于标记物体的经济的方法。
根据本发明，通过具有权利要求1的特征的一种激光器设备以及具有权利要求13的特征的一种产生激光的方法，就能实现本发明的目的。优选实施例在从属权利要求中给出。
根据本发明的激光器设备，其特征在于，激光增益三维空间被设置成开环或者闭环的形状，其包围了激光增益三维空间之间的自由中央空间。根据本发明，优选地是，形状为圆柱形或者管形的增益三维空间以及术语“管道”会被用来描述这些增益三维空间。已知的是，也可以使用其他几何形状的增益体。
本发明的方法，其特征在于，激光束被定向至被激光增益三维空间包围的自由中央空间中。具有一个或多个可移动的反射镜的扫描设备可被设置在该自由空间中，并且定向激光束至待标记的物体。
根据本发明优选的是，该激光器设备是一种激光器设备，尤其是一种打标头，用于使用激光束标记或者雕刻物体。该激光器设备的激光增益三维空间或者谐振管形成一个共同的管状空间，也可被称为该激光器设备的谐振器。也就是说，该激光器设备包括谐振器，该谐振器包含可被互相机械地连接的多个谐振管。在谐振器内容纳有一种激发气体，该气体通过激发装置激发，为了在各个谐振管内分别产生激光。
该激光器设备可以是一种气体激光器，并且尤其可以是一种二氧化碳(CO2)激光器设备，其中谐振器中的气体包含二氧化碳(CO2)。这种激光器设备的原理是本领域公知的，因此在此将省略该原理的详细描述。
该激光器设备的功率从根本上是由管状空间或者谐振器的长度决定的，管状空间或者谐振器形成激光器的空腔，在空腔内激光在位于一端的背光镜和位于相对端的部分反射输出耦合器之间被反射。相比于线形谐振器，通过折叠自由中央空间周围的谐振器，在不增加该激光器设备总长度的同时，谐振器的长度可被增加。此外，激光管不是折叠成之字形图形，而是成形为环形图形，横截面仍可以保持得较小，从而激光器设备内的空间是畅通的。
因此，本发明的一个基本思路是在该激光器设备的横截面提供自由空间，举例来说，可被用作将物体容纳于所述自由空间中。根据本发明，该自由空间是被激光管至少部分包围。
为了分别在该激光器设备或者打标头的中央区域提供自由空间，这些谐振管被设置成确定自由空间的回路或者环的形态。这些谐振管均是直管，也就是说，它们具有沿着直线延伸的纵轴，且在相邻谐振管之间形成拐角区域。因此，谐振器的形态还可以被描述成带有角的环，其可以是环路形状的闭环，或者可以是在两个谐振管之间具有空间的开环。
如图1所示，根据本发明，在每两个相邻的谐振管之间形成的角度比典型的折叠设计的激光管之间的角度更大。尤其优选的是，该角度大于60°。这就允许谐振管之间更良好，尤其是更有效的激光耦合。根据本发明，还优选的是，每两个相邻的谐振管之间形成的角度相等。
在谐振管之间的拐角处，设置了容纳有用于耦合谐振管之间激光的反射镜的连接元件。这些连接元件可以是与两个相邻谐振管连接的拐角法兰。它们还可被称为对接拐角法兰。连接元件或者连接法兰尤其可以包括陶瓷材料。另外，可以有连接在共同的管状空间的相对的轴向端的谐振管的端部法兰，端部法兰分别包含输出耦合器和背光镜。
本发明的一个优选实施例中，激光增益三维空间被设置成三角形、矩形或者正方形图形。在三角形图形中，该激光器设备的谐振器包含三个谐振管，然而在矩形或者正方形图形中，谐振器由四个谐振管组成。在其他优选实施例中，可以在多边形形状中提供并设置五个或更多谐振管。本发明中具有环状设置的激光管的激光器设备的设计，举例来说，允许谐振器的几何形状被优化至所需的功率以及特定应用的限制体积。
在另一个优选实施例中，激光增益三维空间被设置成开放的多边形图形，尤其是U形图形。如具有开环或者开放回路的一个实施例的U形图形，通过该环的开口提供了通往自由中央空间的捷径。因此，通过在相邻于开口的两个谐振管之间的间隔，可将物体嵌入自由中央空间。
该激光器设备的另一个优选实施例中，激光增益三维空间被设置在一个平面上。这些处于共同平面上的谐振管提供了一种非常紧凑且扁平的激光器设备的设计。此外，这个实施例还允许堆叠多个激光器设备，从而可形成一种具有多个堆叠激光器设备的激光器设置。该扁平激光器设备的堆叠方法提供了准许在将待标记的物体上创建点阵标记的独立激光器设备的阵列。由于有这种在一个单个平面上的回路上设置的谐振管的扁平形状的独立激光器设备，独立激光束之间的距离可被保持的较小。
通过将激光器设备配置成能定向激光束进入被激光增益三维空间包围的自由中央空间中，可获得一种非常紧凑的激光器设备，尤其是一种用于标记物体的激光器设备。为此，可提供偏转镜，能够将穿过输出耦合器的激光束朝向自由中央空间的方向偏转。这种偏转镜，还可被称为输出镜，被优选设置在谐振器外部，在相对端被背光镜和输出耦合器定义。该输出镜是可移动的，从而它可将激光束偏转至不同的方向，且还可提供一个以上输出镜。这些一个或多个可移动的输出镜还可被用于定向光束至另一被称为扫描设备的一个或多个可移动的输出镜组。
激光束偏转至被谐振管闭合的空间的根本的优势是，可以在该被闭合的空间内放置扫描设备、气体激发装置、和/或谐振管冷却装置，这样就不会增加该激光器设备的外部尺寸。为此，该激光标记设备被保持为较小并且能被轻松地定位在将被标记的物体附近。为标记物体，该扫描设备可通过该激光器设备壳体的开口，将激光束从该激光器设备内部重定向至激光器设备的外部。
为了提供共同的管状空间，根据本发明，优选地，至少一个连接元件包括内腔，该内腔允许气体在至少两个与相应的连接元件连接的相邻的激光增益三维空间之间流动。该内腔可具有在第一轴向端有第一轴向开口以及在第二轴向端有第二轴向开口的管状或者管道状形态。该空腔的第一轴向端可与第一谐振管连接，且该空腔的第二轴向端可与第二谐振管连接。此外，该形成于连接法兰中的内腔可在拐角部分具有第三开口，反射镜可被附着于第三开口上，用于在谐振管之间反射的激光。
在另一个实施例中，包括有激光器设备的谐振管被单独密封，这样气体不被准许在连接在一起的激光管之间流动，而是这些连接元件包括内腔，该内腔允许激光在相邻的谐振管之间被定向。
在另一个优选实施例中，背光镜被设置在共同的管状空间的第一端，同时输出耦合器被设置在共同的管状空间的相对的第二端。该还可以被称为端面镜的背光镜，尤其可以是全反射镜，同时该输出耦合器尤其可以是部分反射镜。当激光束通过输出耦合器时，管状空间中的一部分激光可被耦合出。
本发明的一个特别优选的实施例中，激光增益三维空间被设置成环路，且提供了在两个激光增益三维空间之间连接的集成输出法兰，该集成输出法兰包括输出耦合器和背光镜。该激光器设备的封闭的环路或环增强了稳定性且提供了尤其紧凑的设计。该集成输出法兰被设置在两个可被称为共同的管状空间的端谐振管的谐振管之间的拐角处。该集成输出法兰，还可被称为连接元件，包括至少两块反射镜，即背光镜以及呈部分反射镜形态的输出耦合器。该集成输出法兰可在或者可不在与之连接的谐振管之间提供气体连通。尤其可以设置全反射镜以及输出镜使得来自两个端谐振管的激光不会在该集成拐角法兰中相交。
在一个优选实施例中，在集成输出法兰的第一面提供端面镜，且在集成输出法兰的第二面提供输出耦合器，优选地，第二面相对于第一面倾斜。第一面尤其可以被设置为垂直于与集成输出法兰连接的一个激光管，且第二面可以被设置为垂直于与输出法兰连接的第二激光管。
优选地，集成输出法兰包括提供在第三面用于将传输通过输出耦合器的激光束偏转进入预定方向的输出镜。可以设置输出镜，输出镜尤其可以是在集成输出法兰中的第三反射镜，使得其将通过部分反射输出耦合器耦合出的激光束偏转进入被谐振管包围的自由中央空间中。在一个优选实施例中，输出镜可以以可移动的方式被提供在集成输出法兰上。
在一个优选实施例中，集成输出法兰包括与谐振器的端谐振管连接的第一基体。集成输出法兰进一步包括与第一基体连接的第二基体。在第一基体和第二基体之间形成间隔，其中容纳有至少一个背光镜和输出耦合器。背光镜和/或输出耦合器优选地以气密方式与第一基体连接，且定义了共同的管状空间的轴向端。
第二基体包含空腔，用于通过部分反射输出镜将激光束耦合出。输出镜优选地与第二基体在第二基体的拐角部分连接，且将激光束偏转至该激光器设备的谐振管之间形成的自由中央空间体中。
优选地，该激光器设备的管状空间或者谐振器是封闭的气体系统。这尤其意味着该激光器设备的谐振器是完全封闭的空腔，并且没有恒定的气流通过该谐振器。谐振器中的气体，也就是在共同的管状空间中的气体，仅当该激光器设备停止工作时，在一定的时间间隔内被替换。因此，并没有为通过管状空间的恒定气流提供气体入口和气体出口，也不需要空间来设置通过系统泵送气体的器材。
已知至少一个激光增益三维空间的激发装置包含至少一个电极，尤其是一种射频电极。该电极尤其可沿着激光管的轴向长度延伸。还已知，出于对效率方面的考虑以及对谐振管中的气体的均匀激发，射频(RF)电感器必须与电极主体连接。例如，射频电感器可具有螺旋线圈设计。这种方案的一个公知的问题是，射频电感器的螺旋线圈设计会大幅度增加该激光器设备的尺寸，代价高昂。
根据本发明，通过至少一个射频电极，尤其是射频(RF)电感器，具有平面线圈设计，可取得一种尤其紧凑和扁平设计的该激光器设备。在平面线圈设计中，电极的线圈尤其可被设置在一个单独的平面上。在优选实施例中，线圈可被设置成盘旋形状。
尤其优选地，谐振管的激发装置包含至少两个沿着各自的谐振管的纵轴延伸的射频电极。这两个射频电极尤其可被设置在激光管相对侧边，例如可以有上部电极和下部电极，它们都沿着谐振管的长度延伸。
附图说明
本发明将参考附图进一步地描述，其中：
图1所示的是根据现有技术的激光器设备的一种激光管设置；
图2所示的是根据本发明所述的激光器设备的一种实施例；
图3所示的是根据本发明所述的集成输出法兰的一种实施例；
图4所示的是现有技术中常见的用于调谐激光器设备的射频(RF)电感器；
图5所示的是根据本发明所述的结合有平面射频(RF)电感器的用于调谐激光管的射频电极的一种实施例；以及
图6所示的是根据本发明所述的激光管以及在激光管中激发气体的电极。
在所有附图中，相同的或相应的组件由相同的附图标记标识。
具体实施方式
图1所示的是根据现有技术的一种激光器设备10’的激光管12’的折叠设计。在这种设计中，激光管12’互相靠近设置，并且基本互相平行，以便提供一个小的横截面。
如图2所示的是本发明的激光器设备10的一种实施例，激光器设备10尤其可以是一种用于通过激光束标记物体的激光器设备。一个或者多个这种激光器设备10可被集成在用于标记物体的打标头中。
该激光器设备10包括多个激光增益三维空间或者谐振管12，尤其可以是氧化铝管。这些谐振管12形成了共同的管状空间的一部分，可以被称为激光器设备10的谐振器。这些谐振管12被射频电极51闭合，该射频电极51用于激发谐振管12内含有的气体。电极51基本沿着谐振管12的全长延伸。
在所示的实施例中，该激光器设备10包括四个矩形设置且形成封闭环路的谐振管12。自由中央空间8由该激光器设备10的内部区域形成。该空间8被谐振管12包围。每一个谐振管12具有纵轴。谐振管12的纵轴在一个共同的平面上延伸。
谐振管12通常是由两个端谐振管和至少一个在端谐振管之间流体连接的中间谐振管组成。在所示的实施例中，有两个中间谐振管。连接元件20或者拐角法兰被设置在中间谐振管12之间的拐角处以及端谐振管和相邻的中间谐振管之间的拐角处。
每一个连接元件20具有反射镜22，用于将激光从一个谐振管12反射至相邻的谐振管12。连接元件20具有普通的三角形形态，并且包括与谐振管12连接的基体24，以及包含反射镜22的安装法兰26。基体24包含两个用于连接谐振管12的入口部。在基体24中形成气孔28或者气体管道，用于在被连结至连接元件20的谐振管12之间流体连接。
一个谐振管12的端部设置有背光镜或者端面镜44，用于反射谐振管12中的激光。第二根谐振管12的端部设置有输出耦合器42，用于耦合出激光束。该输出耦合器42是部分反射镜。
在图示的实施例中，两个谐振管12、端谐振管通过集成输出法兰40互相连接。集成输出法兰40包括用于耦合出激光束的输出耦合器42，和在一个谐振管12的端部用于反射谐振器的相对端的激光的背光镜44。耦合出器42和背光镜44被设置在输出法兰40的外面，并且管状空间中的光呈90°相交于集成输出法兰40中。
如图3所示的是集成输出法兰40的第二个实施例。该集成输出法兰40具有两个入口部，用于将两个谐振管12连结至集成输出法兰40上。
在集成输出法兰40的拐角区域提供了输出镜46，用于将通过输出耦合器42耦合出的激光束反射至预定方向。设置输出镜46使得激光束被反射进入该激光器设备10的自由中央空间8。
该集成输出法兰40包括第一内部基体60以及第二外部基体62，在第一第二基体60、62之间形成了内腔或者间隔72，其中容纳有背光镜44以及输出耦合器42。谐振器的端谐振管12被连结至第一基体60上，同时，用于偏转从管状空间传输通过输出耦合器42的激光束的输出镜46与第二基体62连接。
背光镜44被连结至集成输出法兰40的第一面66，其中第一面66是第一基体60的一面。输出耦合器42被连结至集成输出法兰40的第二面68，其中第二面60也是第一基体60的一面。输出镜46被安装在集成输出法兰40的第三面70上，其中第三面70是第二基体62的拐角面。第一面66和第二面68是集成输出法兰40的内面，而第三面70是外面。安装法兰64也与第三面70连接。
第二基体62包含在部分反射输出耦合器42与输出镜46之间的激光束的通道。输出镜46将激光束偏转至该激光器设备10的谐振管12之间形成的自由中央空间8。在集成输出法兰40的第一基体60中形成输出孔48，通过该输出孔48，通过输出镜46被偏转的激光束可传输至自由中央空间8。因此，输出孔48将输出镜46与自由中央空间8连接。
如图5所示的激发装置的第一个实施例，该激发装置50是带有以螺旋方式缠绕并由此形成螺旋的线圈52的电极51。
图5所示的是带有以盘旋方式被设置在一个单独的平面上的线圈52的平面电极51。线圈52被设置在安装板54上。线圈52被设置在安装板54上。如图5所示，电极51可包括两个设置在安装板54上的独立线圈52。
如图6所示的是安装有激发电极51的谐振管12。电极51在谐振管12的下侧基本沿着谐振管12的全长延伸。在谐振管12的上侧可以设置第二电极51。在所示的实施例中，谐振管12的上侧设置有冷却块56。该冷却块56具有冷却通道，通过该冷却通道，冷却液可以循环用于冷却谐振管12。

Claims (13)

1.一种激光器设备，包括：
-至少三个用于待激发气体的线形激光增益三维空间(12)；
-连接元件(20)，用于连接相邻的激光增益三维空间(12)，所述激光增益三维空间(12)互相机械联接，并且形成公共的容积空间；
-用于所述激光增益三维空间(12)的激发装置(50)，激发装置(50)用于激发所述激光增益三维空间(12)中的所述气体从而产生激光；
-反射镜(22)，被设置在所述连接元件(20)中，用于在激光增益三维空间(12)之间反射所述激光；
-全反射背光镜(44)；以及
-部分反射输出耦合器(42)，用于耦合出激光束；
其中，所述激光增益三维空间(12)被设置成开环或者闭环的形状，包围了所述激光增益三维空间之间的自由中央空间(8)；
其特征在于：
所述激光器设备被配置为，定向所述激光束进入被所述激光增益三维空间(12)包围的所述自由中央空间(8)。
2.如权利要求1所述的激光器设备，其特征在于：所述激光增益三维空间(12)被设置成三角形、矩形或者正方形图形。
3.如权利要求1或2所述的激光器设备，其特征在于：所述激光增益三维空间(12)被设置成U形图形。
4.如权利要求1至3任一项所述的激光器设备，其特征在于：所述激光增益三维空间(12)被设置在一个平面上。
5.如权利要求1至4任一项所述的激光器设备，其特征在于：至少一个所述连接元件(20)包括内腔，所述内腔允许气体在与所述连接元件(20)连接的至少两个相邻的激光增益三维空间(12)之间流动。
6.如权利要求1至5任一项所述的激光器设备，其特征在于：所述背光镜(44)被设置在所述共同的管状空间的第一端，同时所述输出耦合器(42)被设置在所述共同的管状空间的相对的第二端。
7.如权利要求1至6任一项所述的激光器设备，其特征在于：所述激光增益三维空间(12)被设置成环路，并且连接于两个激光增益三维空间(12)之间提供有集成输出法兰(40)，所述集成输出法兰(40)包括所述输出耦合器(42)和所述背光镜(44)。
8.如权利要求7所述的激光器设备，其特征在于：所述背光镜(44)被提供于所述集成输出法兰(40)的第一面(66)，以及所述输出耦合器(42)被提供于所述集成输出法兰的第二面(68)。
9.如权利要求7或8所述的激光器设备，其特征在于：所述集成输出法兰(40)包括提供于第三面(70)的输出镜(46)，用于将传输通过所述输出耦合器(42)的所述激光束偏转至预定方向。
10.如权利要求1至9任一项所述的激光器设备，其特征在于：所述管状空间是封闭的气体系统。
11.如权利要求1至10任一项所述的激光器设备，其特征在于：对于至少一个所述激光增益三维空间(12)，所述激发装置(50)包含至少一个具有平面线圈设计的射频电极(51)。
12.如权利要求1至11任一项所述的激光器设备，其特征在于：至少一个所述激光增益三维空间(12)的所述激发装置(50)包含至少两个沿着相应的激光增益三维空间(12)的纵轴延伸的射频电极(51)。
13.一种通过激光器设备(10)，尤其是通过根据权利要求1至12任一项所述的激光器设备(10)，标记物体的方法，包括：
-至少三个用于待激发气体的线形激光增益三维空间(12)；
-连接元件(20)，用于连接相邻的激光增益三维空间(12)，所述激光增益三维空间(12)互相机械联接，并且形成公共的容积空间；
-用于所述激光增益三维空间(12)的激发装置(50)，激发装置(50用于激发所述激光增益三维空间(12)中的所述气体，产生激光；
-反射镜(22)，被设置在所述连接元件(20)中，用于在激光增益三维空间(12)之间反射所述激光；
-全反射背光镜(44)；以及
-部分反射输出耦合器(42)，用于耦合出激光束；
其特征在于：
所述激光束被定向至被所述激光增益三维空间(12)包围的自由中央空间(8)中。
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