CN1967952A - 桁架式折叠准封离型千瓦级co2激光器 - Google Patents

Abstract

一种桁架式折叠准封离型千瓦级CO₂激光器，两支架两侧各有六根石英放电管依次用反射镜首尾相接，其一首端为输出窗口而另一首端装有谐振腔反射镜，第一侧的第五根石英放电管末端同第六根石英放电一端用反射镜连接，另一侧的第五根石英放电管末端同第六根石英放电管的一端用反射镜连接，相互折叠设置的所述两根石英放电管的另一端亦用反射镜连接，由此构成一个由十二根石英放电管组成的桁架式立体折叠结构，且每相邻两根石英放电管之间的夹角为9°－12°；储气管一端分别与位于两支架两侧的第一根石英放电管的首端连通而其末端装有闸板阀。具有稳定性好、结构紧凑、可在高度不变的条件下得到更高功率的激光输出。

Description

桁架式折叠准封离型千瓦级CO2激光器

技术领域

本发明涉及气体激光器，进一步是指准封离型大功率二氧化碳激光器。

背景技术

第94226255.7号实用新型专利公开了本发明人早先研制成功的一种“桁架式石英管折叠气体激光器”，该激光器提供了一种有效的折叠结构，具有稳定性好、结构紧凑、可以获得高质量和较高功率激光输出的特点。但是，由于这种激光器系采用十根石英放电管，且每五根放电管经反射镜连接成一个五折平面石英放电管系，二管系经两个45°反射镜将光路连通而成，因此存在的问题有：

(1)每根管子单独激励，10根管不是三的整数倍而使三相电网不平衡，在电路参数相同的情况下，激励电流不同，负荷小的相电流大；

(2)二面45°入射角的反射镜镜片有起偏作用，得到铅垂方向的线偏振光，不便于切割；切割时沿不同方向效果不同，需转换成向下的圆偏振光，为此需采用三片镜子转换，很不方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种桁架式折叠准封离型千瓦级CO₂激光器，它除了具有稳定性好、结构紧凑、可以获得高质量激光输出的优点之外，还可在高度不变的条件下得到更高功率的激光输出，且采用十二根激光管而有利于三相电网的平衡，还能得到有利于输出要求的偏振光。

本发明的技术解决方案是，所述桁架式折叠准封离型千瓦级CO₂激光器包括左支架和右支架，其结构特点是：

(1)该两支架两侧各有六根石英放电管依次用反射镜2首尾相接，其中第一侧的第一根石英放电管的首端为输出窗口而另一侧的第一根石英放电管的首端装有谐振腔反射镜，所述第一侧的第五根石英放电管的末端同第六根石英放电的一端用反射镜连接，另一侧的第五根石英放电管的末端同第六根石英放电管的一端用反射镜连接，相互折叠设置的所述两根石英放电管的另一端亦用反射镜连接，由此构成一个由十二根石英放电管组成的桁架式立体折叠结构，且每相邻两根石英放电管之间的夹角为9°-12°；

(2)所述两支架上装有储气管，该储气管的一端分别同位于所述两支架两侧的第一根石英放电管的首端连通而其末端装有闸板阀；

(3)每根石英放电管单独激励，采用的镍电极一半长度与水冷石英放电管端配合而另一半悬空；

(4)在所述左支架和右支架上部分别设置伸向两侧的水平拉杆，两拉杆的两端分别设有用以将所述支架吊起的弹簧，在一个支架顶端及另一支架的拉杆两端分别设有竖立且顶端为球头的球头定位杆。

以下对本发明做出进一步说明。

参见图1，本发明包括左支架14和右支架15，其结构特点是：

(1)该两支架两侧各有六根石英放电管31、32、33、34、35、36及31′、32′、33′、34′、35′、36′依次用反射镜2首尾相接，其中第一侧的第一根石英放电管31的首端为输出窗口5而另一侧的第一根石英放电管31′的首端6装有谐振腔反射镜，所述第一侧的第五根石英放电管35的末端同第六根石英放电36的一端用反射镜连接，另一侧的第五根石英放电管35′的末端同第六根石英放电管36′的一端用反射镜连接，相互折叠设置的所述两根石英放电管36、36′的另一端亦用反射镜连接，由此构成一个由十二根石英放电管组成的桁架式立体折叠结构，且每相邻两根石英放电管之间的夹角为9°-12°；

(2)所述两支架14、15上装有储气管3，该储气管3的一端分别同位于所述两支架14、15两侧的第一根石英放电管31、31′的首端连通而其末端装有闸板阀4；

(3)每根石英放电管单独激励，采用的镍电极一半长度与水冷石英放电管端配合而另一半悬空(参见图4)；

(4)在所述左支架14和右支架15上部分别设置伸向两侧的水平拉杆7、29(参见图1)，两拉杆7、29的两端分别设有用以将所述支架吊起的弹簧8(因此共有四只弹簧8)，在一个支架(如左支架14)顶端及另一支架(如右支架15)的拉杆(如拉杆29)两端分别设有竖立且顶端为球头的球头定位杆10(因此共有三根球头定位杆10)。

本发明的技术原理是：

(1)在装置整体高度尺寸不变的情况下，增加了二根放电管，使激光功率增加；如在采用镀金铜镜且每放电管长2m，每折长2.5m时，输出功率由1000W上升至1200W；

(2)每根管子单独激励，12根管子为三的整数倍，有利于三相电网的平衡；

(3)有利于输出要求的偏振光，各反射镜的入射角都很小，S光与P光的反射率基本相同而不会产生线偏振光，得到的随机偏振光就可以用于焊接、模切板切割；增加一面大入射角的反射镜就可以在空间任何方向得到线偏振光。如图2得到与铅垂方向成45°的线偏振光，只需一面圆偏振镜便可转换成向下方向的圆偏振光；

(4)激光管定位：用四根弹簧8从机壳向上拉紧两拉杆7、29，将激光器上拉至三根球头定位杆10分别与锥孔定位板13、平面定位板12、V形槽定位板11接触定位；接触压力控制在10KG以下，防止因金属机壳热膨胀系数远大于石英管的热膨胀系数，而在石英管上加上一个过大的摩擦力会使谐振腔不稳定；

(5)准封离型结构：在储气管3的端部粘贴金属高真空闸板阀4，可以通过它将激光管接通真空排气系统，以抽空激光管，并且从混合工作气体的钢瓶往激光器中充气；充气完毕，关闭真空阀，实现激光器的封离运行；一次充气激光器可以运行一周以上，一个8升钢瓶的气体可以充气500次以上，可以使用5年以上；

(6)谐振腔分段：将长的谐振腔分成若干相同的分段，各段之间用球面镜耦合，各段内放电管间用平面镜将光路连成直线(见图3)，各段内的谐振腔参数的确定可按照基模光束直径略小于2/3管径进行，基模光束直径的计算需要考虑放电管类透镜效应，长度为l的管子的光线变换矩阵元：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{AB}\\ \mathrm{CD}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cosh & {\mathrm{\α}}^{-1}& \sinh \mathrm{\αl}\\ \mathrm{\α}\sinh \mathrm{\αl}& & \cosh \mathrm{\αl}\end{array}\right]$

在所述情况下，α＝0.07l/m，按此法设计，可得高光束质量激光(TEM₀₀+TEM₀₁)。

(7)热电极冷处理：镍电极筒外部点焊住，内部可以伸缩，一半长度和水冷石英配合，一半悬空(如图4)；处于高温状态时，热镍电极对工作气体有再生作用，又不至于加热石英管使之变形；

(8)输出窗口：在所述情况下计算得到的窗口最佳反射率为30％，考虑到GaAs的折射率为3.2766，单面反射率为28％，故可直接采用GaAs窗口仅外表面镀增透膜，内表面没有膜层损失，使用寿命长。

由以上可知，本发明为一种桁架式折叠准封离型千瓦级CO₂激光器，它除了具有稳定性好、结构紧凑、可以获得高质量激光输出的优点之外，还可在高度不变的条件下得到更高功率的激光输出，且采用十二根激光管而有利于三相电网的平衡，还能得到有利于输出要求的偏振光。

附图说明

图1是本发明一种实施例结构示意图；

图2是图1中B向结构示意图；

图3是所述折叠石英放电管的耦合反射镜及平面镜作用原理图(图中虚线为激光束路径，其中耦合反射镜2均为R＝30mm球面镜)；

图4是电极安装的一种实施例结构示意图。

在附图中：

1-平面镜，         2-反射镜，      3-储气管，

4-闸板阀，         5-输出窗口，    6-首端，

7、28、29、30-拉杆，               8、9-弹簧，

10-球头定位杆，    11-V型槽定位板，12-平面定位板，

13-锥孔定位板，      14-左支架，        15-右支架，

31、32、33、34、35、36-石英放电管，

31′、32′、33′、34′、35′、36′-石英放电管，37-镍电极。

具体实施方式

按照附图及上述结构的本发明激光器，左支架14和右支架15为微膨胀合金支架，放电管分四段(如图3)，每段长7.5m，包含三节2.5m长放电管，两端的反射镜2采用球面镜，中间采用两个平面镜1，所述球面镜为R30m镀金铜镜，计算得到的球面镜上的基模光束直径为15mm，放电管的内径为26mm。计算得到的窗口最佳反射率为30％，考虑到GaAs的折射率为3.2766，单面反射率为28％，故直接采用GaAs窗口仅外表面镀增透膜，内表面没有膜层损失，使用寿命长。

储气管3设计为图1所示的两个(相互连通)，对称分布在左、右支架的两侧，其一个储气管端部安装闸板阀4；每根放电管长2m，每折长2.5m，每相邻两根石英放电管之间的夹角为12°，输出功率为1200W；所得到的随机偏振光可以直接用于焊接、模切板切割等。

Claims (3)

1、一种桁架式折叠准封离型千瓦级CO₂激光器，包括左支架(14)和右支架(15)，其特征是，

(1)该两支架两侧各有六根石英放电管(31、32、33、34、35、36及31′、32′、33′、34′、35′、36′)依次用反射镜(2)首尾相接，其中第一侧的第一根石英放电管(31)的首端为输出窗口(5)而另一侧的第一根石英放电管(31′)的首端(6)装有谐振腔反射镜，所述第一侧的第五根石英放电管(35)的末端同第六根石英放电(36)的一端用反射镜连接，另一侧的第五根石英放电管(35′)的末端同第六根石英放电管(36′)的一端用反射镜连接，相互折叠设置的所述两根石英放电管(36、36′)的另一端亦用反射镜连接，由此构成一个由十二根石英放电管组成的桁架式立体折叠结构，且每相邻两根石英放电管之间的夹角为9°-12°；

(2)所述两支架(14、15)上装有储气管(3)，该储气管(3)的一端分别与位于所述两支架(14、15)两侧的第一根石英放电管(31、31′)的首端连通而其末端装有闸板阀(4)；

(3)每根石英放电管单独激励，采用的镍电极一半长度与水冷石英放电管端配合而另一半悬空；

(4)在所述左支架(14)和右支架(15)上部分别设置伸向两侧的水平拉杆(7、29)，两拉杆(7、29)的两端分别设有用以将所述支架吊起的弹簧(8)，在一个支架顶端及另一支架的拉杆两端分别设有竖立且顶端为球头的球头定位杆(10)。

2、根据权利要求1所述桁架式折叠准封离型千瓦级CO₂激光器，其特征是，所述球面镜为R30m镀金铜镜。

3、根据权利要求1所述桁架式折叠准封离型千瓦级CO₂激光器，其特征是，所述每根石英放电管的长为2m，每折长2.5m。

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