ES2895503T3 - Láser de dióxido de carbono refrigerado por aire - Google Patents

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Abstract

Un aparato de láser, que comprende: una unidad alargada de resonador (22) llena de gas, que se extiende en una dirección de prolongación a lo largo de un eje longitudinal; una unidad de fuente de alimentación (24) alarmada de radio frecuencia, RF, que se extiende en la dirección de prolongación para la energización de gas en la unidad de resonador, en donde la unidad de resonador y la unidad de fuente de alimentación están alineadas, espaciadas aparte y paralelas entre sí; una unidad de refrigeración alargada (26) que incluye una pluralidad de aletas alargadas (28) que separa la unidad de fuente de alimentación (24) y a unidad de resonador (22); estando las aletas (28) espaciadas y paralelas entre sí y que se extienden en la dirección de prolongación de la unidad de fuente de alimentación (24) y la unidad de resonador (22), estando los bordes laterales superiores e inferiores opuestos (28) en contacto térmico directo con la unidad de resonador (22) y la unidad de fuente de alimentación (24), respectivamente; y al menos un ventilador (30) dispuesto para impulsar aire entre las aletas (28) espaciadas aparte en la dirección de prolongación para refrigerar la unidad de fuente de alimentación (24) y la unidad de resonador (22).

Description

DESCRIPCIÓN
Láser de dióxido de carbono refrigerado por aire
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere, en general, a láseres energizados por disposiciones de descarga y de refrigeración de radio frecuencia para tales láseres.
DESCRIPCION DE LA TÉCNICA ANTERIOR
Se utilizan láseres de CO2 en varias operaciones de precisión de mecanización por láser, en particular, en el taladrado en varios materiales de sustrato. En tal operación, el láser es accionado de una manera impulsada, con un haz de salida del láser guiado por espejos galvanométricos hasta localizaciones sobre un sustrato, donde deben perforar los taladros. Un ejemplo de un aparato de láser de CO2 se describe en el documento US 2004/179570. El aparato comprende una unidad alargada de resonador llena de gas, una unidad de fuente de alimentación de RF alargada y una unidad de refrigeración alargada, que incluye aletas alargadas. Un ventilador está dispuesto en el centro de la unidad de refrigeración. En una ranura longitudinal formada por una pareja de aletas está posicionada la unidad de resonador.
Un problema con tales láseres es que durante un periodo de calentamiento después de que el láser es conectado después de un periodo de descanso, la dirección del haz de salida, referida como “puntería” por los expertos en la técnica, cambia de manera progresiva. Esto es debido a la subida de la temperatura del láser, y al diseño mecánico y eléctrico complejo y a la construcción del láser. El cambio de puntería afecta adversamente a la dirección del haz por los espejos galvanométricos, a veces hasta el punto de que no se puede realizar el taladrado con una precisión requerida.
La temperatura del láser y de acuerdo con ello la puntería del haz, se estabiliza después de un cierto periodo de tiempo, por ejemplo 5 minutos, haciendo reproducible la dirección galvanométrica, con tal que el láser permanezca conectado. Sin embargo, este periodo de estabilización, representa un periodo de pérdida de producción en la operación de taladrado. Existe una necesidad de un diseño y construcción de un láser de CO2 que pueda reducir, si no eliminar totalmente, el periodo de estabilización de la puntería.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
En un aspecto, un aparato de láser de acuerdo con la presente invención se define en la reivindicación 1.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Los dibujos que se acompañan, que se incorporan y que constituyen una parte de la memoria descriptiva, ilustran de forma esquemática una forma de realización preferida de la presente invención y junto con la descripción general dada anteriormente y la descripción detallada de la forma de realización detallada dada a continuación, sirven para explicar los principios de la presente invención.
La figura 1 es una vista en perspectiva que ilustra de forma esquemática una forma de realización preferida del aparato de láser de guía de ondas de CO2 de acuerdo con la presente invención, que incluye una unidad alargada de resonado y una unidad de fuente de alimentación alargada espaciadas aparte por una unidad de refrigeración alargada que incluye una pluralidad de aletas espaciadas aparte, que se extienden longitudinalmente entre la unidad de resonador y la unidad de fuente de alimentación, y una pluralidad de aletas dispuestas para impulsar aire a través de las aletas desde el centro de la unidad de refrigeración hasta los extremos.
La figura 1A es una vista en planta de la sección transversal longitudinal que ilustra detalles de la unidad de refrigeración de la figura 1.
La figura 1B es una vista isométrica de la sección transversal longitudinal que ilustra de forma esquemática detalles de la unidad de refrigeración de la figura 1.
La figura 1C es una vista isométrica de la sección transversal lateral que ilustra de forma esquemática detalles de la unidad de resonador y de la unidad de fuente de alimentación y todavía más detalles de la unidad de refrigeración de la figura 1.
La figura 2 es una vista isométrica de la sección transversal longitudinal que ilustra de forma esquemática otra forma de realización preferida del aparato de láser de guía de onda de CO2 de acuerdo con la presente invención, similar a la forma de realización de la figura 1, pero en donde los ventiladores están dispuestos para impulsar aire a través de las aletas de la unidad de refrigeración desde los extremos de la unidad de refrigeración hasta el centro.
La figura 3 es una vista isométrica que ilustra de forma esquemática todavía otra forma de realización preferida del aparato de láser de guía de ondas de CO2 de acuerdo con la presente invención, de forma similar a la forma de realización de la figura 2, pero en donde los ventiladores están dispuestos para impulsar aire a través de las aletas de la unidad de refrigeración desde un extremo de la unidad de refrigeración hasta el otro extremo.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Volviendo ahora a los dibujos, en donde las mismas características están designadas por los mismos números de referencia, las figuras 1, 1A, 1B y 1C ilustran de forma esquemática una forma de realización preferida 20 de un aparado de láser de guía de ondas de CO2 de acuerdo con la presente invención. La figura 1 ilustra un láser completo. Las figuras 1A, 1B y C ilustran detalles del láser no visibles en a figura 1.
El láser 10 incluye una unidad alargada de resonador 22 y una unidad alarmada de fuente de alimentación de RF para energizar la unidad de resonador. La unidad de resonador y la unidad de fuente de alimentación tienen aproximadamente la misma longitud y anchura y están alineadas paralelas entre sí espaciadas aparte por una unidad de refrigeración 26, que incluye una pluralidad de aletas 28 espaciadas aparte y paralelas entre sí en la dirección de la anchura del láser y que se extienden longitudinalmente entre la unidad de resonador y la unidad de fuente de alimentación. Una pluralidad de aletas 30 sobre lados opuestos de la unidad de refrigeración (ver las figuras 1A y 1B) está dispuesta para introducir aire dentro de la unidad de refrigeración y para impulsar aire a través de los espacios 29 entre las aletas 28 para la salida de la refrigeración en cada uno de sus extremos.
La unidad de resonador 22 es un cerramiento sellado que tiene placas extremas 32 que albergan espejos resonadores 34, sólo dos de los cuales son visibles en los dibujos. El resonador de la unidad 22 es con preferencia un resonador plegado, con dos espejos que terminan el resonador y otros (no mostrados) para plegar el eje del resonador. Hay que indicar aquí que sólo se describen detalles suficientes de la unidad de resonador 22 y se ilustran para la comprensión de los principios de la presente invención. Los detalles de los láseres de guía de onda de CO2 son bien conocidos en la técnica. Una descripción detallada de los láseres de guía de onda de CO2 de resonador plegado en varias configuraciones de plegado se proporciona en la patente de los EE.UU. N° 6.788.722, asignada a la concesionaria de la presente invención.
Con referencia en particular a las figuras 1A y 1B, en la disposición del láser 20, las aletas 28 tienen diferentes longitudes, estando la más larga en el centro y se acortan progresivamente hacia los bordes. Las aletas están dispuestas para dejar espacios de impulsión 31 (ver la figura 1A) entre las aletas 30 para recibir la entrada de aire desde las aletas. Dentro de los espacios de impulsión 31 están dispuestas una pluralidad de deflectores o “mini aletas” 27 espaciadas aparte en las direcciones de la longitud y de la anchura de la unidad de refrigeración.
En la ausencia de los deflectores 27, los espacios de impulsión no estarían refrigerados por la circulación de aire de una manera tan eficiente como los espacios ocupados por las aletas 28. La longitud colectiva de los deflectores se selecciona para proporcionar un compromiso razonable entre la eficiencia creciente de la refrigeración en los espacios de impulsión y la obstrucción del flujo de aire en los espacios de impulsión. Se deja espacio entre todas las aletas y deflectoras para albergar el canal sellado de alimentación eléctrica 36 para establecer la conexión eléctrica (RF) entre la unidad de fuente de alimentación 24 y la unidad de resonador 22.
La figura 1C ilustra de forma esquemática una disposición de construcción preferida de láser 20 inventivo. Aquí las aletas y deflectores de la unidad de refrigeración 26; un cerramiento 45, una base 46 y las paredes 47 de la unidad de resonador 22; y una base 38 y las paredes 39 de la unidad de fuente de alimentación 264 están formados de una extrusión de aluminio sencilla. Una placa de cubierta 40 y placas extremas 49 (sólo es visible una en la figura 1C) completan un cerramiento 43 para la unidad de fuente de alimentación. Las placas extremas 32 completan el cerramiento sellado 45 para la unidad de resonador. Los espacios de impulsión y los deflectores en la unidad de refrigeración 26, ilustrados en las figuras 1A y 1B se forma n por medio de mecanización en los lados de la extrusión. El término “base” aplicado a la unidad de resonador y a la unidad de fuente de alimentación indica una superficie de montaje de componentes de la unidad y es independiente de la orientación física de las unidades. Dentro del cerramiento 45 de la unidad de resonador está dispuesta una placa cerámica 48, en una de cuyas superficies están mecanizados canales de guía de ondas 50. La placa 48 está intercalada entre la base 46 de la unidad de resonador y una placa de electrodo 52 que está conectada eléctricamente al canal de alimentación 36. El lado acanalado de la placa cerámica 48 está en contacto con la base 46. Con la potencia de RF aplicada a la placa de electrodos 52, se crea una descarga de gas en canales 50 para energizar el resonador de láser.
Aunque todo el cerramiento 46 lleno con el gas de láser, la descarga es generada solamente en los canales 50, ya que la disposición prevé que sólo en los canales exista el campo eléctrico suficiente para provocar y mantener una descarga. En otro lugar, el cerramiento meramente proporciona un depósito de gas. Se genera calor como resultado de la descarga en los canales 50. La colocación del lado acanalado de la placa cerámica en 52 en contacto con la base 46 optimiza la transmisión de calor desde la descarga hasta la base 46 en uno de sus lados en contacto con la unidad de refrigeración 30.
Continuando con referencia a la figura 1C, en la unidad de fuente de alimentación 24 la fuente de alimentación real está montada sobre un cuadro de circuito impreso 42 soportado sobre la base 38 de la unidad de fuente de alimentación. Una abertura 44 en la base 38 proporciona un conductor eléctrico (no mostrado) entre la fuente de alimentación y el canal de alimentación eléctrica 36 de la unidad de resonador 22. Se genera calor en la fuente de alimentación de RF desde la impedancia eléctrica de los componentes eléctricos (no mostrados). La fuente de alimentación está colocada sobre la base 38 de la unidad de fuente de alimentación para optimizar la conducción de calor entre la fuente de alimentación y la unidad de refrigeración 26.
Una ventaja particular del emplazamiento aproximadamente central de la unidad de refrigeración común 26 entre la unidad de resonador 22 y la fuente de alimentación 24 minimiza cualquier tendencia al arqueamiento del láser 20 (con el cambio correspondiente de la puntería del haz) minimizando, si no eliminando totalmente la expansión diferencial entre la unidad de fuente de alimentación y la unidad de resonador. Tal tendencia es minimizada, además, por la construcción de todos los componentes con el mismo material, tal como aluminio como se ha descrito anteriormente. Además, la construcción alargada de las aletas de la unidad de refrigeración 26 proporciona un alto grado de rigidez longitudinal que, en sí misma, resiste cualquier tendencia mínima a arqueamiento que pudiera existir debido a expansión diferencial residual.
El láser ilustrado en la figura 1 y en la figura 1A es representativo de un láser de guía de onda de CO2 que tiene una salida de 35 vatios (W) impulsado por una fuente de alimentación de RF que tiene una potencia de salida de 350 W. El láser tiene una longitud de aproximadamente 30 centímetros (cm) y una anchura de aproximadamente 9 cm. Existen veintisiete aletas 28 a través de la anchura de la unidad de refrigeración. Las aletas tienen una altura de aproximadamente 25 milímetros (mm), una anchura de aproximadamente 1,7 mm y están espaciadas aparte en 1,7 mm.
Con referencia, en particular, a la figura 1C, el espesor T1 de la base 38 de la fuente de alimentación 24 y el espesor T2 de la unidad de resonador 22 se seleccionan de tal manera que el láser inventivo es termo-mecánicamente neutral. El término “termo-mecánicamente neutral” significa que se minimiza, si no se elimina totalmente, cualquier tendencia para el arqueamiento longitudinal del láser inventivo. En el ejemplo anterior, está condición se consigue cuando el espesor T1 es aproximadamente 6 mm y el espesor T2 es aproximadamente 12 mm. En general, el espesor T1 será normal mente inferior al espesor T2, reflejando el hecho de que se genera más calor por la fuente de alimentación que el generado por la descarga de gas del resonador de láser.
Hay que subrayar aquí que las dimensiones especificadas anteriormente son meramente ejemplares. Los expertos en la técnica, a partir de la descripción presentada aquí, pueden seleccionar otras dimensiones para la misma o diferente configuración de la fuente de alimentación y del resonador sin apartarse del alcance de la presente invención. Las propiedades térmicas y mecánicas de tales estructuras pueden ser investigadas utilizando software de diseño mecánico, tal como SOLIDWORKS disponible de Dassault Systemes Inc. de Waltham, Massachusetts. Debería indicarse aquí que, aunque la presente invención se ha descrito anteriormente en el sentido de que incorpora un láser de CO2 de guía de ondas de resonador plegado con un modo operativo guiado en dos direcciones transversales mutuamente perpendiculares por una pluralidad de canales de guía de ondas, los principios de la invención son igualmente aplicables a un resonador que incluye u solo canal amplio de guía de ondas, que guía un modo en una sola dirección transversal. En tal láser, se seleccionaría un resonador inestable para guiar el modo en una trayectoria de zig-zag en un plano perpendicular a la dirección de la guía de ondas. Tal láser es referido típicamente por los expertos en la técnica como un láser de losa de CO2. Tal láser se describe en detalle en la patente de los EE.UU. N° 8.731.015.
La figura 2 es una vista isométrica de la sección transversal longitudinal que ilustra de forma esquemática otra forma de realización preferida del aparato de láser de guía de ondas de CO2 de acuerdo con la presente invención. El láser 20A es similar al láser 20 de la figura 1 y de las figuras 1A-C, con la excepción de que los ventiladores 30 están dispuestos para impulsar aire a través de las aletas de la unidad de refrigeración desde los extremos de la unidad de refrigeración hasta la salida lateralmente en el centro.
La figura 3 es una vista isométrica que ilustra de forma esquemática todavía otra forma de realización preferida 20B del aparato de láser de guía de ondas de CO2 de acuerdo con la presente invención. El láser 20B es similar al láser 20 de la figura 2, pero en donde los ventiladores 30 están dispuestos para impulsar aire a través de las aletas de la unidad de refrigeración desde un extremo de la unidad de refrigeración hasta el otro extremo. Esta disposición tiene la ventaja de que no se requiere una operación de mecanización para formar espacios de impulsión en la unidad de refrigeración 26. No obstante, esto es a costa de un gradiente más largo de la temperatura longitudinal.
En resumen, la presente invención se describe anteriormente en términos de una forma de realización preferida y otras formas de realización. Sin embargo, la invención no está limitada a las formas de realización descritas e ilustradas aquí, más bien la invención sólo está limitada por las reivindicaciones anexas.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato de láser, que comprende:
una unidad alargada de resonador (22) llena de gas, que se extiende en una dirección de prolongación a lo largo de un eje longitudinal;
una unidad de fuente de alimentación (24) alarmada de radio frecuencia, RF, que se extiende en la dirección de prolongación para la energización de gas en la unidad de resonador, en donde la unidad de resonador y la unidad de fuente de alimentación están alineadas, espaciadas aparte y paralelas entre sí; una unidad de refrigeración alargada (26) que incluye una pluralidad de aletas alargadas (28) que separa la unidad de fuente de alimentación (24) y a unidad de resonador (22); estando las aletas (28) espaciadas y paralelas entre sí y que se extienden en la dirección de prolongación de la unidad de fuente de alimentación (24) y la unidad de resonador (22), estando los bordes laterales superiores e inferiores opuestos (28) en contacto térmico directo con la unidad de resonador (22) y la unidad de fuente de alimentación (24), respectivamente; y
al menos un ventilador (30) dispuesto para impulsar aire entre las aletas (28) espaciadas aparte en la dirección de prolongación para refrigerar la unidad de fuente de alimentación (24) y la unidad de resonador (22).
2. El aparato de la reivindicación 1, en donde el gas en la unidad de resonador (22) es una mezcla de gases que incluye dióxido de carbono.
3. El aparato de la reivindicación 1, en donde el al menos un ventilador (30) está dispuesto de tal forma que el aire es introducido en la unidad de refrigeración (26) aproximadamente en su centro, y es expulsado desde los extremos longitudinales opuestos de la unidad de refrigeración (26).
4. El aparato de la reivindicación 3, que incluye, además, espacios de impulsión (31) alineados con al menos un ventilador (30) dispuestos en lados laterales opuestos de la unidad de refrigeración (26), estando posicionados dichos espacios de impulsión (31) en una región que dejan las aletas (28), incluyendo dicha región unos deflectores (27) para dirigir el flujo de aire dentro de los espacios de impulsión entre las aletas (28).
5. El aparato de la reivindicación 1, en donde el al menos un ventilador (30) está dispuesto de tal manera que el aire es introducido en la unidad de refrigeración (26) en sus extremos longitudinales opuestos, y expulsados desde el centro de la unidad de refrigeración (26).
6. El aparato de la reivindicación 1, en donde el al menos un ventilador (30) está dispuesto de tal manera que el aire es introducido en la unidad de refrigeración (26) en uno de sus extremos longitudinales y es expulsado desde la unidad de refrigeración (26) en su extremo longitudinal opuesto.
7. El aparato de la reivindicación 1, en donde la unidad de fuente de alimentación (24) incluye una fuente de alimentación de RF montada sobre un cuadro de circuito impreso, PCB, (42) y la unidad de resonador (22) incluye una placa cerámica (48) que tiene al menos un canal de guía de ondas (50) en una de sus superficies para guiar un modo de láser, y en donde el PCB (42) y la placa cerámica (48) están en comunicación térmica con la unidad de refrigeración (26).
8. El aparato de la reivindicación 7, en donde la superficie de canal de guía de ondas de la placa cerámica está dirigida hacia la unidad de refrigeración (26).
9. El aparato de la reivindicación 1, en donde cada una de la unidad de resonador (22) y la unidad de fuente de alimentación (24) tienen una base (38, 46) en comunicación térmica con la unidad de refrigeración (26), en donde la base de la unidad de fuente de alimentación (24) tiene un primer espesor y la base (46) de la unidad de resonador (22) tiene un segundo espesor, y en donde el primero y el segundo espesores están seleccionados de tal forma que el aparato de láser es termo-mecánicamente neutral.
10. El aparato de la reivindicación 9, en donde el primer espesor es menor que el segundo espesor.
11. El aparato de la reivindicación 1, en donde una base (46) y paredes (47) proporcionan un cerramiento inferior (45) de la unidad de resonador (22), una base (38) y paredes (39) proporcionan un cerramiento superior (43) de la unidad de fuente de alimentación (24), y aletas (28) y deflectores (27) de la unidad de refrigeración (26) están formados de una sola pieza de aluminio.
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