CN108683060A - 一种紫外激光器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紫外激光器，包括激光头、激光电源驱动器和制冷水箱，冷却箱的内部设置有温度控制器和水位传感器，冷却箱还设置有水位计，冷却箱还设置有水流量传感器，水流量传感器与控制板电性连接，控制板电性连接流量报警指示灯和流量正常指示灯；冷却箱还设置有水流量报警信号输出接口；激光头后侧设有RF射频线接口、循环水输入接口和循环水输出接口；激光头底部设有水冷模块，水冷模块内设有循环水冷通道，循环水冷通道两端分别与循环水输入接口、循环水输出接口连通，冷却箱冷却水入口、冷却水出口与循环水输入接口、循环水输出接口之间对应通过两根8mm直径的水管连接形成制冷回路。本发明具有温度调节和水量报警功能，方便使用。

Description

一种紫外激光器及其应用

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种紫外激光器及其应用。

背景技术

紫外激光由于具有光子能量大和聚焦性能好的优点，已经广泛运用于工业、科研、医疗及军事等领域，特别是钻孔、打标、划片、焊接等工业微加工领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紫外激光器及其应用，其具有温度调节和水量报警功能，方便使用。

其技术问题所采取的技术方案是：

一种紫外激光器，包括激光头、激光电源驱动器和制冷水箱，激光头与激光电源驱动器连接，激光头接收激光电源驱动器发送的射频信号并发射激光，制冷水箱与激光头管路连接形成制冷回路；

其特征在于：所述制冷水箱结构为：包括冷却箱，对所述冷却箱进行制冷的制冷系统，所述冷却箱设置有向冷却箱加注液体的进水口，所述冷却箱还设置有用于循环所述冷却箱内的冷液的抽液装置；所述制冷系统包括压缩机、冷凝器和蒸发器，所述蒸发器与所述冷却箱的箱壁靠近或接触，所述压缩机、冷凝器和蒸发器通过管路依次连接形成制冷回路；冷却箱还设置有控制装置，所述控制装置包括控制板和与所述控制板电性连接的控制台，所述冷却箱的内部设置有温度控制器和水位传感器，所述温度控制器、水位传感器分别与所述控制板电性连接；冷却箱还设置有水位计，水位计与所述制冷系统上的管路连通；冷却箱还设置有排水口，所述排水口设置于冷却箱的底部；所述冷却箱还设置有水流量传感器，水流量传感器与所述控制板电性连接，控制板电性连接流量报警指示灯和流量正常指示灯；所述冷却箱还设置有电源开关；所述冷却箱还设置有水流量报警信号输出接口；制冷水箱连接市电；所述冷却箱还设置有带保险的电源接口；所述冷却箱还设置有散热系统，散热系统包括散热腔与散热通道连通的出风口、进风口以及散热风扇，所述制冷系统设置在散热腔内散热；

所述的激光头后侧设有控制开关、RF射频线接口、循环水输入接口、循环水输出接口和激光输出窗口；

所述制冷水箱通过水管与激光头连接；其结构为：所述激光头底部设有水冷模块，水冷模块内设有循环水冷通道，循环水冷通道两端分别与所述的循环水输入接口、循环水输出接口连通，所述冷却箱还设置有冷却水入口和冷却水出口，所述冷却水入口、冷却水出口与所述循环水输入接口、循环水输出接口之间对应通过两根8mm直径的水管连接形成制冷回路。

如上所述的紫外激光器，其特征在于：所述激光电源驱动器结构为：其包括有壳体和设置在壳体内的单片机模块，单片机模块连接有 Q驱动模块、显示模块、指示灯驱动模块和按键输入模块；所述水流量报警信号输出接口通过水箱保护线与所述单片机模块电性连接，单片机模块接到所述控制台发送的报警信号后，控制所述Q驱动模块停止工作并通过分别所述显示模块、指示灯驱动模块进行报警显示和指示。

如上所述的紫外激光器，其特征在于：所述的激光电源驱动器与激光头连接，其结构为：用RF射频线一端与激光电源驱动器后面板的Q驱动器接头连接，RF射频线另一端与激光头上的RF射频线接口连接；RF射频线输入的射频信号通过RF射频线接口进入所述激光头；激光电源驱动器连接市电。

如上所述的紫外激光器，其特征在于：所述激光电源驱动器后面板上设有5芯和7芯的航插座，所述激光头后端输出的波纹管中有两根线，分别为5芯和7芯的航插头，分别将两航插头安装在激光电源驱动器后面板的相应位置航插座上，并通过拧动航插头的螺帽进行锁紧。

如上所述的紫外激光器，其特征在于：所述的所述激光头结构为：包括设置在底板上的泵浦源，泵浦源左侧的滑轨上由远及近同轴设置准直激光器、全反射腔镜、声光Q开关；泵浦源右侧的滑轨上由近及远同轴设置有谐波反射镜、倍频晶体、和频晶体、三次谐波输出镜、光阑；激光头的后面板上有循环水的输入端口和输出端口与激光头内部的冷却器相连还控制开关和Q驱动射频输入端口；全反射腔镜、谐波反射镜及三次谐波输出镜均为平面镜。

如上所述的紫外激光器，其特征在于：所述的激光电源驱动器后面板上设有RS232接口。

如上所述的紫外激光器，其特征在于：所述的声光Q开关采用载波频率为40.68MHz的声光Q驱动器。

如上所述的紫外激光器，其特征在于：所述的制冷水箱制冷量大于500W，流量大于4L/min，水压大于0.1MPa；冷却水采用去离子水或纯净水。

一种紫外激光器的应用，其特征在于：所述的紫外激光器应用于生物技术和医疗设备。

相较于现有技术，本发明提供的一种紫外激光器及其应用，采用制冷水箱通过前部设有温度控制器、量报警指示灯、量正常指示灯和后部设有冷却水入口、冷却水出口、水位传感器(液位计)和流量报警输出端口实现自动调节水冷控制，应用领域更加广泛。

附图说明

图1为本发明的各部件连接结构示意图。

图2为本发明激光头正面结构示意图。

图3为本发明激光头背面结构示意图。

图4为激光电源驱动器上RS232接口示意图。

图5为激光电源驱动器上外控接口示意图。

图6为冷却箱上水流量报警信号输出接口示意图。

图7为制冷水箱立体结构示意图之一。

图8为制冷水箱立体结构示意图之二。

图9为激光电源驱动器驱动原理框图。

图10为声光Q驱动器时序图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10 所示，

一种紫外激光器，包括激光头A、激光电源驱动器B和制冷水箱 C，激光头A与激光电源驱动器B连接，激光头A接收激光电源驱动器B发送的射频信号并发射激光，制冷水箱C与激光头A内部水冷模块管路连接形成制冷回路。

激光头结构为：包括设置在底板上的泵浦源，泵浦源左侧的滑轨上由远及近同轴设置有准直激光器、全反射腔镜、声光Q开关；泵浦源右侧的滑轨上由近及远同轴设置有谐波反射镜、倍频晶体、和频晶体、三次谐波输出镜、光阑。全反射腔镜、谐波反射镜及三次谐波输出镜均为平面镜；激光头后侧设有控制开关211、RF射频线接口212、循环水输入接口213、循环水输出接口214和激光输出窗口215，激光输出窗口215正对着光阑。循环水输入接口、循环水输出接口与激光头内部的水冷模块相连。

制冷水箱结构为：包括冷却箱10，对冷却箱10进行制冷的制冷系统，冷却箱10设置有向冷却箱加注液体的进水口101，冷却箱还设置有用于循环冷却箱内的冷液的抽液装置；制冷系统包括压缩机、冷凝器和蒸发器，蒸发器与冷却箱的箱壁靠近或接触，压缩机、冷凝器和蒸发器与激光头上水冷模块通过管路依次连接形成制冷回路；冷却箱还设置有控制装置，控制装置包括控制板和与控制板电性连接的控制台，控制板为PCBA控制板，冷却箱10的内部设置有温度控制器 103和水位传感器，温度控制器103、水位传感器分别与控制板电性连接；冷却箱还设置有水位计112，水位计112与制冷系统上的管路连通；冷却箱还设置有排水口113，排水口113设置于冷却箱的底部；冷却箱还设置有水流量传感器，水流量传感器与控制板电性连接，控制板电性连接流量报警指示灯104和流量正常指示灯105；冷却箱还设置有电源开关102，电源开关102用于控制市电通断。冷却箱还设置有水流量报警信号输出接口108；制冷水箱连接市电；冷却箱还设置有带保险的电源接口109；冷却箱还设置有散热系统，散热系统包括散热腔与散热通道连通的出风口110、进风口111以及散热风扇，制冷系统设置在散热腔内散热。为方便了解冷却箱10的相关信息，冷却箱10上还设有机器参数标示板114。

激光电源驱动器结构为：其包括有壳体和设置在壳体内的单片机模块1，单片机模块1连接有Q驱动模块4、脉冲显示模块5、指示灯驱动模块6和按键输入模块7；激光电源驱动器还包括开关信号产生模块8、高压储能模块2、脉宽调节模块3、脉冲驱动模块4。单片机模块1上的单片机的型号是STC89C51。水流量报警信号输出接口通过水箱保护线与单片机模块电性连接，单片机模块接到控制台发送的报警信号后，控制Q驱动模块停止工作并通过分别显示模块、指示灯驱动模块进行报警显示和指示。

壳体的前面板9上设有如下部件：

1、电源指示灯，系统供电正常后此指示灯点亮为绿色。

2、运行指示灯，LD模块及Q驱动器运行时此指示灯亮为绿色。此指示灯点亮表示激光正在输出！

3、告警指示灯，系统出现异常时此指示灯点亮为红色。机箱内部蜂鸣器同时发出长鸣告警。

4、射频指示灯，内部Q驱动器供电正常时此指示灯点亮为绿色。Q驱动器异常此灯转变为红色同时蜂鸣器长鸣。

5、总电源开关，接通或切断交流输入电源。

6、钥匙开关，授权专职人员操作，避免发生事故。

7、启动/停止开关，及指示灯，按动此开关控制LD模块及Q 驱动器运行或停止。启动后开关内部指示灯点亮为蓝色。

8、急停开关，遇到突发事件按下此开关。各输出立即停止、系统告警。

9、显示模块为液晶屏，系统功能操作及各状态显示界面。(见“2.3.3液晶屏”)

10、整机散热进风口(切勿遮挡各进、出通风口)。

壳体的后面板上设有如下部件：

21、带保险管电源插座整机输入交流电源，10A保险管。

22、Q驱动器射频输出接口及挡板射频输出为SMA母端，时序见“2.3.4Q驱动器”。连接射频线缆后，用螺钉将其紧固在后面板上。

23、Q驱动器散热器及通风口(切勿遮挡各进、出通风口)

24、激光器接口，七针航空插座。

25、LD接口五孔航空插座。

激光器接口为七针航空插座，请将激光头处引出的线缆中的七芯航插头与之匹配。此接口为激光器的泵浦系统和倍频晶体系统提供温度控制和反馈，并显示激光器的工作状态。LD接口为五孔航空插座，请使用激光头处引出的线缆中的五芯航插头与之匹配。此接口为激光器的泵浦系统提供电流。

26、冷却箱接口，四孔航空插座。水箱流量报警信号输出端口为三孔航空插座，使用电源四孔航空插座脚1、脚4相连接。此接口与相应的循环水设备告警干结点相连接。节点闭合为正常；节点开路为告警。

27、急停接口预留客户端口

28、RS232接口DB9母端。RS232接口为DB9母端，请使用标准DB9公端或线缆与之匹配。线缆为Pin To Pin直连线。线缆另一侧为DB9母端，连接计算机DB9公端。

名称和说明如下

2.TX-发送；3.RX-接收；5.GND-已接内部参考地。

其余-空

RS232命令：RS232波特率：9600；校验位：NONE；起始位： 1；数据位：8；停止位：1。RS232命令所有数据均用ASCII，区分大小写。命令中“n”为阿拉伯数字0～9。

29、外控接口DB15母端。外控接口为DB15母端，请使用标准DB15公端或线缆与之匹配。名称和说明如下

1：Q驱动器触发信号输入(+)外控时，此信号上升沿(M1外触发)或电平(M2外门控)触发Q射频空白(见“2.3.3.1液晶屏的 Q设置设置”)。输入电阻约10KΩ，TTL电平。与后面板“Q驱动器触发/门控信号输入接口”相同。

2：Q驱动器门控信号输入(+)M1外控时，此信号决定是否可以触发Q驱。M2外控时，此信号无效。输入电阻约10KΩ，TTL 电平，高电平触发。

3：Q驱动器首脉冲信号输入(+)外控时，此信号上升沿触发 Q射频衰减。输入电阻约10KΩ，TTL电平。与后面板“Q驱动器首脉冲信号输入接口”相同。

4：指示光控制信号输入(+)输入电阻约1KΩ，TTL电平，高电平为指示光。

5：外控启动信号输入(+)外控时，此信号高电平为系统启动运行；低电平为系统停止待机。输入电阻约10KΩ，TTL电平。

6：LD电流设置信号输入(+)外控时，此信号0～5V对应LD 电流0～50A。输入电阻约1KΩ，模拟电压控制。

7：辅助电源5V输出由驱动源向外部提供辅助供电，最大电流 0.2A。(过流或短路将导致系统异常)

4、8、12：空未连接

9、10、11、13、14、15：所有信号输入(－)已接内部参考地。切勿在接口外部接参考地。

30、Q驱动器首脉冲信号输入接口，BNC，时序见图10。

31、Q驱动器触发/门控信号输入接口，BNC，时序见图10。激光电源驱动器与激光头连接，其结构为：激光电源驱动器后面板上设有5芯和7芯的航插座，激光头后端输出的波纹管中有两根线，分别为5芯和7芯的航插头，分别将两航插头安装在激光电源驱动器后面板的相应位置航插座上，并通过拧动航插头的螺帽进行锁紧；用RF射频线一端与激光电源驱动器后面板的Q驱动器接头连接，RF 射频线另一端与激光头上的RF射频线接口连接；RF射频线输入的射频信号通过RF射频线接口进入泵浦源；激光电源驱动器连接市电。

制冷水箱通过水管与激光头连接；其结构为：激光头底部设有水冷模块，水冷模块内设有循环水冷通道，循环水冷通道两端分别与的循环水输入接口、循环水输出接口连通，冷却箱还设置有冷却水入口 106和冷却水出口107，冷却水入口106、冷却水出口107与循环水输入接口、循环水输出接口之间对应通过两根8mm直径的水管连接形成制冷回路。

激光电源驱动器后面板上设有RS232接口。声光Q开关采用载波频率为40.68MHz的声光Q驱动器。制冷水箱制冷量大于500W，流量大于4L/min，水压大于0.1MPa；冷却水采用去离子水或纯净水。

工作时，制冷水箱C与激光电源驱动器B连接步骤为将配备的水冷机系统内注入足够的纯净水或去离子水(水量为6L左右，具体查看水位表)，并将两根附带的8mm直径的水管分别与安装在激光头A 底部的水冷模块连接。连接时保证水管插到管接头最深部位，以防使用时漏水。水温设置值在激光器出厂时已经进行了优化选择，因此客户无需更改设置。

激光电源驱动器B和制冷水箱C连接市电：待激光头A、激光电源驱动器B、制冷水箱C三者连接无误后，将激光电源驱动器B的三相电源线和220V电压连接。将制冷水箱C的3芯电源线也连接上市电。具体的操作：按照图1所示，开机操作为确认是否正确连接激光头A、激光电源驱动器B和制冷水箱C。

确认激光头A窗口防尘胶带已撕掉，激光输出方向有功率计、挡光器等遮挡物；将激光电源驱动器B和制冷水箱C分别接上220V电压；打开制冷水箱C的电源开关，让制冷水箱C正常工作；待制冷水箱C达到设定温度后(约5分钟)，将电源的钥匙开关转到ON，启动电源开关；待电源自检完毕后，设定激光器工作参数，启动电流，开始工作。

在电源开机状态和启动状态，激光电源驱动器B的工作参数可通过内控和外控工作方式均能设定和更改。其中内控为激光电源驱动器 B内部控制(M0模式)，外控可分为M1模式、M2模式和RS232通讯模式。外控模式需要信号源与激光电源驱动器B后面板的外控接口或者RS232接口连接，若发生报警情况，激光电源驱动器B会立即停止电流输出。

请根据报警指示灯显示排除故障。故障排除后，按电流启动/停止按钮将报警复位，待“Alarm”指示灯灭后，再按亮电流启动/停止按钮，电流慢慢上升至正常工作值，方可正常使用。

激光电源驱动器B内控M0模式操作为选择液晶屏上的“LDLD设置”，点击“电流内控”和“启动内控”；选择液晶屏上的“Q设置”，点击“M0M0内触发”；回到“LDLD设置”，通过“+”、“-”电流，对工作电流进行设定，注意电流设定值不得超过随机附带检验报告上标明的最大工作电流；回到“Q设置”，设定“触发频率”(20～100kHz)和“触发宽度”(1～50us，其最大值为1000/频率)；启动电源前面板的“启动/ 停止”开关，或者点击液晶屏上的“启动/停止”，电流开始启动，激光器开始出光工作。

激光电源驱动器B外控M1模式为步骤一选择液晶屏上的“LDLD 设置”，点击“电流外控”和“启动外控”，或者电流和启动仍由内控实现；步骤二选择液晶屏上的“Q设置”，点击“M1M1外触发”，实现频率调制信号和门控信号均由外部触发；步骤三按照实际需求对信号源中的重复频率、触发宽度和门控信号进行设置；步骤四按照实际需求输入启停信号，使激光器按照外控信号进行工作。实际工作中步骤三和步骤四的顺序可发生变化。

激光电源驱动器B外控M2模式操作为选择液晶屏上的“LDLD设置”，对电流和启动的内控或外控方式进行设置；选择液晶屏上的“Q设置”，点击“M2M2外门控”，使频率信号和触发宽度由电源内部输出，其出光信号由外部的门控信号触发；按照实际需求设置门控信号和启停信号，使激光器按照外控信号进行工作。

RS232通讯模式为计算机通过RS232串行通讯接口连接至电源后面板的RS232接口，对激光电源驱动器B的工作进行控制。

关机操作为按灭电流启动/停止按钮，让电流慢慢下降至关断停止；确定电流完全关断后，再关断总电源开关，断开激光电源驱动器B电源，关闭制冷水箱C；若有需要，断开激光电源驱动器B后面板上全部或部分的连线；如果长时间不使用本系统，建议妥善保管在良好的环境中，并将激光头窗口进行密封。

激光电源驱动器B壳体的尺寸为449mm*360mm*132mm，重量约为10kg；激光头外形尺寸为298mm×185mm×84.5mm，重量约为 8Kg；制冷水箱C的尺寸为580mm*290mm*470mm，重量约为24kg。

Claims (9)

1.一种紫外激光器，包括激光头、激光电源驱动器和制冷水箱，激光头与激光电源驱动器连接，激光头接收激光电源驱动器发送的射频信号并发射激光，制冷水箱与激光头管路连接形成制冷回路；

其特征在于：所述制冷水箱结构为：包括冷却箱，对所述冷却箱进行制冷的制冷系统，所述冷却箱设置有向冷却箱加注液体的进水口，所述冷却箱还设置有用于循环所述冷却箱内的冷液的抽液装置；所述制冷系统包括压缩机、冷凝器和蒸发器，所述蒸发器与所述冷却箱的箱壁靠近或接触，所述压缩机、冷凝器和蒸发器通过管路依次连接形成制冷回路；冷却箱还设置有控制装置，所述控制装置包括控制板和与所述控制板电性连接的控制台，所述冷却箱的内部设置有温度控制器和水位传感器，所述温度控制器、水位传感器分别与所述控制板电性连接；冷却箱还设置有水位计，水位计与所述制冷系统上的管路连通；冷却箱还设置有排水口，所述排水口设置于冷却箱的底部；所述冷却箱还设置有水流量传感器，水流量传感器与所述控制板电性连接，控制板电性连接流量报警指示灯和流量正常指示灯；所述冷却箱还设置有电源开关；所述冷却箱还设置有水流量报警信号输出接口；制冷水箱连接市电；所述冷却箱还设置有带保险的电源接口；所述冷却箱还设置有散热系统，散热系统包括散热腔与散热通道连通的出风口、进风口以及散热风扇，所述制冷系统设置在散热腔内散热；

所述的激光头后侧设有控制开关、RF射频线接口、循环水输入接口、循环水输出接口和激光输出窗口；

所述制冷水箱通过水管与激光头连接；其结构为：所述激光头底部设有水冷模块，水冷模块内设有循环水冷通道，循环水冷通道两端分别与所述的循环水输入接口、循环水输出接口连通，所述冷却箱还设置有冷却水入口和冷却水出口，所述冷却水入口、冷却水出口与所述循环水输入接口、循环水输出接口之间对应通过两根8mm直径的水管连接形成制冷回路。

2.根据权利要求1所述的紫外激光器，其特征在于：所述激光电源驱动器结构为：其包括有壳体和设置在壳体内的单片机模块，单片机模块连接有Q驱动模块、显示模块、指示灯驱动模块和按键输入模块；所述水流量报警信号输出接口通过水箱保护线与所述单片机模块电性连接，单片机模块接到所述控制台发送的报警信号后，控制所述Q驱动模块停止工作并通过分别所述显示模块、指示灯驱动模块进行报警显示和指示。

3.根据权利要求2所述的紫外激光器，其特征在于：所述的激光电源驱动器与激光头连接，其结构为：用RF射频线一端与激光电源驱动器后面板的Q驱动器接头连接，RF射频线另一端与激光头上的RF射频线接口连接；RF射频线输入的射频信号通过RF射频线接口进入所述激光头；激光电源驱动器连接市电。

4.根据权利要求3所述的紫外激光器，其特征在于：所述激光电源驱动器后面板上设有5芯和7芯的航插座，所述激光头后端输出的波纹管中有两根线，分别为5芯和7芯的航插头，分别将两航插头安装在激光电源驱动器后面板的相应位置航插座上，并通过拧动航插头的螺帽进行锁紧。

5.根据权利要求4所述的紫外激光器，其特征在于：所述的所述激光头结构为：包括设置在底板上的泵浦源，泵浦源左侧的滑轨上由远及近同轴设置有准直激光器、全反射腔镜、声光Q开关；泵浦源右侧的滑轨上由近及远同轴设置有谐波反射镜、倍频晶体、和频晶体、三次谐波输出镜、光阑；激光头的后面板上有循环水的输入端口和输出端口与激光头内部的冷却器相连还控制开关和Q驱动射频输入端口；全反射腔镜、谐波反射镜及三次谐波输出镜均为平面镜。

6.根据权利要求1所述的紫外激光器，其特征在于：所述的激光电源驱动器后面板上设有RS232接口。

7.根据权利要求5所述的紫外激光器，其特征在于：所述的声光Q开关采用载波频率为40.68MHz的声光Q驱动器。

8.根据权利要求1所述的紫外激光器，其特征在于：所述的制冷水箱制冷量大于500W，流量大于4L/min，水压大于0.1MPa；冷却水采用去离子水或纯净水。

9.一种根据权利要求1所述的紫外激光器的应用，其特征在于：所述的紫外激光器应用于生物技术和医疗设备。