CN107534263A - 水冷二氧化碳激光器 - Google Patents

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Abstract

二氧化碳波导激光器，包括细长的谐振器腔和细长的电源腔。谐振器和供电腔被水冷散热器分隔开。

Description

水冷二氧化碳激光器
技术领域
本发明一般涉及通过射频(RF)放电通电的二氧化碳(CO2)激光器。本发明特别涉及这种激光器的冷却装置。
背景技术
波导CO2激光器用于几种精密激光加工操作中，特别是各种基板材料中的钻孔。在这种操作中，激光器以脉冲方式操作，激光器的输出光束由电流计反射镜驱动到要钻探孔的基板上的位置。
所有这样的激光器的问题在于，在激光器在静止时段之后接通的预热时间段内，本领域技术人员被称为“指向”的输出光束方向逐渐变化。这是由于激光器的温度升高、复杂的机电设计和激光器的构造。这种指向变化不利地影响电流计反射镜对光束的转向，有时甚至不能以所需精度执行钻孔。
只要激光器保持接通，激光温度并且因此光束指向在一定时间段(例如5分钟)后稳定，使得电流计导向可重现。然而，这个稳定期代表了钻孔操作中的生产周期。需要一种CO2波导激光器的设计和构造，如果不能完全消除指向稳定期，则可以减少。
发明概述
在一个方面中，依照本发明的激光器设备包括细长的填充气体谐振器腔，包括激光器-谐振器单元和细长的射频(RF)电源腔，包括用于在所述谐振器单元中激励气体的RF电源。谐振器和电源腔彼此平行对齐，并且被细长的水冷散热器空间分隔开。谐振器和电源单元与水冷散热器热交流。
附图简述
并入并构成说明书的一部分的附图示意性地示出了本发明的优选实施例，并且与以上给出的一般描述以及下面给出的优选实施例的详细描述一起用于解释本发明。
图1是依照本发明示意性描述CO2波导激光器设备的一个优选实施方案的透视图，包括被水冷散热器分隔开的细长的谐振器腔和细长的电源腔。
图1A是通常沿图1的方向1A-1A看到的横截面图，示意性描述包括集成冷却凹槽的图1的激光器的谐振器腔、电源腔和散热器的细节。
图1B是示意性描述图1A的散热器中集成冷却凹槽的进一步细节的纵向剖视图。
图2是依照本发明示意性描述CO2波导激光器设备的另一优选实施方案的透视图，其类似于图1的激光器，但其中散热器的集成冷却凹槽被蛇形冷却管道取代。
图2A是通常沿图2的方向2A-2A看到的横截面图，示意性描述图2的激光器的冷却管道的细节。
图2B是通常沿图2的方向2B-2B看到的透视截面图，示意性描述图2的激光器的冷却管道的进一步细节。
发明详述
现在转向附图，其中类似的特征用相同的附图标记表示，图1、图1A和图1B依照本发明示意性描述CO2波导激光器设备的一个优选实施方案20。在细长的铝挤压件22中限定细长的谐振器腔24和细长的电源腔26。谐振器和供电腔由散热器28分隔开，散热器28是挤出件22的不可分割的部分。
电源腔26是具有安装在印刷电路板(PCB)51上的电气元件(未示出)的RF电源50。PCB 51支撑在与其热交流的散热器28上。谐振器腔24是包括陶瓷板40的谐振器单元25，其中加工有波导凹槽42。谐振器腔24由其中安装有谐振器镜32的端板30气密地密封。谐振器镜限定具有延伸穿过波导凹槽的谐振器轴的“折叠”谐振器。谐振器腔含有包含二氧化碳的激光气体混合物。电源腔26由顶板34和端板36包围(见图1)。
谐振器单元25的陶瓷板40由“活”电极板44支撑。谐振器单元通过弹簧27与散热器28保持热接触。活的电极板44通过陶瓷板40和陶瓷间隔件29与挤压件22电隔离。挤出件22和相应的散热器28电接地。来自电源50的RF功率通过其中经由孔49垂直延伸穿过散热器的绝缘反馈通道52提供给电极板。当RF功率被提供给活的电极板44时，在波导凹槽44中的激光气体中引发并维持放电，以激励激光器-谐振器。
这里指出，为了理解本发明的原理，仅描述和描绘了激光器20的激光器-谐振器的谐振器单元的充分细节。CO2折叠的-谐振器波导激光器的细节是本领域熟知的。多种折叠构造的折叠的-谐振器CO2波导激光器的详细描述在转让给本发明的受让人的美国专利No.6,788,722中提供，其全部内容通过引用并入本文。
特别参照图1A和1B，散热器28被流过多个纵向延伸的凹槽的水冷却，所述槽通过散热器28从其一端钻到另一端形成。这里，有四个这样的凹槽，由附图标记54、55、56和57指定。
再次具体参照图1B，凹槽54和55之间的流体连接由从其一个侧边缘钻入散热器28的侧凹槽58提供。凹槽56和57之间的流体连接由从其相对的侧边缘钻出到散热器28中的侧凹槽59提供。从凹槽58的相同侧边缘钻出到散热器中的侧凹槽60提供凹槽55和56之间的流体连接。侧凹槽58和59沿着散热器的端部延伸，而凹槽60沿着对置端延伸。插入横向和纵向凹槽中的多个插头62被布置成使得引入凹槽54的水顺序地通过凹槽54、55、56和57以蛇形方式流动，并通过凹槽离开散热器57。
再次参照图1A，上述水冷凹槽位于与电源和谐振器腔平行的平面64中，并且其优选地位于散热器中，使得如果不完全消除，由于差速膨胀在激光器20的启动和操作中激光器的纵向弯曲的任何趋势将最小化。这可以被称为激光的热机械中性条件。通常，平面64将比谐振器腔更靠近电源腔，反映出电感产生的热量比谐振器单元更多的热量。
图1和图1A中所示的激光器代表具有由输出功率为350W的RF电源驱动的35瓦(W)输出的CO2波导激光器。这样的激光器将具有约30厘米(cm)的长度，宽度约9cm，和高度约7cm。散热器28具有约2.2cm的厚度。平面64位于离PCB 51约0.6cm处，以实现热机械中性状态。
这里强调的是这些上述尺寸仅仅是示例性的。根据本文提供的描述，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下为相同或不同的激光器功率和谐振器配置选择其它尺寸。这种结构的热和机械性能可以使用机械设计软件进行研究，例如得自Dassault Systèmes Inc.of Waltham,Massachusetts的SOLIDWORKS。
这里应当注意，虽然本发明在上面被描述为结合折叠式谐振器型导波二氧化碳激光器，其操作模式通过多个波导凹槽在两个相互垂直的横向引导，但是本发明的原理同样适用于包括仅在一个横向上引导模式的单个宽波导凹槽的谐振器。在这种激光器中，将选择不稳定的谐振器以在垂直于波导方向的平面中以锯齿形路径引导模式。这种激光器通常由本领域的技术人员称为板式CO2激光器。一种这样的激光器在转让给本发明的受让人的美国专利No.8,731,015中有详细描述，其全部内容通过引用并入本文。
图2、图2A和图2B依照本发明示意性描述CO2波导激光器设备的另一优选实施方案20A。激光器20A类似于图1的激光器20，不同之处在于由通过散热器钻出的横向和纵向凹槽形成的激光器20的蛇形冷却路径(导管)用激光替换为具有由纵向管74、75、76和77形成的蛇形管道，在相应的钻孔中通过散热器28由散热器外侧的横管78、79和80连接。
再次具体参照图2B，管74和75通过管78连接。管75和76通过管79连接。管76和77通过管80连接。在图2B的布置中，冷却水被供给到管74中并顺序流过管74、78、75、75、77、76、80和77，从管77离开导管。
这种安排的优点是避免了图1B的布置的横向钻孔操作(以产生凹槽48,59和60)和插头布置。潜在的缺点是必须将管子紧密地配合到散热器以在热量和纵向管之间提供足够的热传导。这可使导管的组装复杂化。
综上所述，本发明是在优选的和其他的实施方案中被描述的。然而，本发明不限于本文描述和描述的实施例。相反，本发明仅由所附权利要求限制。

Claims (15)

1.激光器设备，包括：
细长的填充气体的谐振器腔，包括激光器-谐振器单元；
细长的射频(RF)电源腔，包括用于在所述谐振器单元中激励气体的RF电源；和
其中所述谐振器和供电腔彼此平行对齐并且被细长的水冷散热器空间分隔开，以及所述谐振器和电源单元与所述水冷散热器热交流。
2.权利要求1所述的设备，其中所述谐振器单元中的气体是包括二氧化碳的气体混合物。
3.权利要求1所述的设备，其中RF电源装配在印刷电路板(PCB)上，并且所述谐振器单元包括在其表面中具有至少一个波导-凹槽的陶瓷板，用于引导所述激光器的激光模式，以及其中所述PCB和所述陶瓷板与所述散热器热交流。
4.权利要求3所述的设备，其中所述谐振器单元的陶瓷板的波导-凹槽的表面面向所述散热器。
5.权利要求1所述的设备，其中所述散热器包括用于使水流过所述散热器以冷却所述散热器的蛇形管道。
6.权利要求5所述的设备，其中所述蛇形管道在所述散热器的平行于所述电源和所述谐振器腔、并且更靠近所述电源腔而不是所述谐振器腔的平面内。
7.权利要求3所述的设备，其中所述蛇形管道平面与所述电源和所述谐振器腔的距离被选择为使得所述激光器设备是热机械中性的。
8.激光器设备，包括：
细长的填充气体的谐振器腔，包括激光器-谐振器单元；
细长的射频(RF)电源腔，包括用于在所述谐振器单元中激励气体的RF 电源；
其中所述谐振器和供电腔彼此平行对齐并且被细长的水冷散热器空间分隔开，以及所述谐振器和电源单元与所述水冷散热器热交流；和
其中所述散热器包括用于使水流过所述散热器以冷却所述散热器的蛇形管道，其中所述蛇形管道在大致平行于所述谐振器和供电腔的平面中，并且更靠近所述电源腔而不是所述谐振器腔。
9.权利要求8所述的设备，其中所述蛇形管道平面与所述电源和所述谐振器腔的距离被选择为使得所述激光器设备是热机械中性的。
10.权利要求8所述的设备，其中所述谐振器单元中的气体是包括二氧化碳的气体混合物。
11.权利要求8所述的设备，其中RF电源装配在印刷电路板(PCB)上，并且所述谐振器单元包括在其表面中具有至少一个波导-凹槽的陶瓷板，用于引导所述激光器的激光模式，以及其中所述PCB和所述陶瓷板与所述散热器热交流。
12.权利要求11所述的设备，其中所述谐振器单元的陶瓷板的波导-凹槽的表面面向所述散热器。
13.激光器设备，包括：
由单块铝形成的细长的外壳，所述外壳包括保持电极和激光气体的下室，所述下室通过激光镜在相对端被终止，所述外壳还包括保持用于激励电极的电源的上室，所述外壳还包括用于承载冷却流体的多个加工的纵向延伸凹槽，所述凹槽位于所述上室和下室之间；和
用于引导所述流体以蛇形方式流过所述凹槽的构件。
14.权利要求13所述的设备，其中所述构件包括多个横向凹槽，所述横向凹槽以在纵向和横向凹槽中的各个位置处的相邻纵向凹槽和插塞位置之间提供连通的方式，以便以蛇形方式引导流动。
15.权利要求13所述的设备，其中所述构件包括安装在所述纵向凹槽内的纵向管道和用于流体连接所述纵向管道的多个横向管道。
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