ES2895714T3 - Láser de dióxido de carbono refrigerado por agua - Google Patents

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Abstract

Aparato láser, que comprende: un compartimento resonador alargado y lleno de gas (24) que incluye una unidad resonadora de láser (25), incluyendo la unidad resonadora una placa de cerámica (40); un compartimento alargado de fuente de alimentación de radiofrecuencia RF (26) que incluye una fuente de alimentación de radiofrecuencia (50) para energizar el gas en la unidad resonadora, teniendo la fuente de alimentación de radiofrecuencia componentes eléctricos montados en una placa de circuitos impresos PCB (51); y donde el compartimento de resonador (26), que incluye la unidad resonadora (25) y la placa cerámica (40), y el compartimento de fuente de alimentación (26), que incluye la fuente de alimentación de RF (50) y la placa de circuitos impresos (51), están alineados paralelos entre sí y separados espacialmente por un disipador térmico alargado (28) adaptado para ser refrigerado por agua donde la placa cerámica (40) y la placa de circuitos impresos (51) están situadas en lados opuestos del disipador de calor (28), incluyendo el disipador de calor (28) canales separados (54, 55, 56, 57) que están alineados con la placa de circuitos impresos (51) y la placa cerámica (40), y las unidades resonadora (25) y de fuente de alimentación (50) están en comunicación térmica con el disipador de calor (28).

Description

DESCRIPCIÓN
Láser de dióxido de carbono refrigerado por agua
Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere en general a un aparato láser energizado por una descarga de radiofrecuencia RF. Preferentemente, el aparato láser es un aparato láser de dióxido de carbono CO2. El aparato láser está adaptado para ser refrigerado por agua.
Discusión de la técnica anterior
En US 2012/281728 A1 se puede encontrar un ejemplo de láser de CO2. En él se describe un aparato láser, en el que una fuente de alimentación de RF incluida en su compartimento es enfriada mediante aletas y un resonador incluido en su compartimento se enfría mediante un disipador de calor. El disipador de calor comprende una placa de cerámica colocada entre las aletas y el disipador de calor. El resonador y la fuente de alimentación se refrigeran por separado.
Los láseres de CO2 de guía de ondas se utilizan en varias operaciones de mecanizado por láser de precisión, en particular, en la perforación de agujeros en diversos materiales de sustrato. En este tipo de operaciones, el láser es operado de forma pulsada con un haz de salida del láser dirigido por espejos galvanométricos a posiciones en un sustrato donde los agujeros han de ser perforados.
Un problema de todos estos láseres es que. durante un período de calentamiento después de que el láser se enciende después de un período de inactividad, la dirección del haz de salida, denominada “puntería” por los profesionales de la técnica cambia progresivamente. Esto se debe al aumento de la temperatura del láser y al complejo diseño y construcción mecánica y eléctrica del láser. Este cambio de puntería afecta negativamente a la dirección del rayo por los espejos galvanométricos, a veces hasta el punto de que no se puede llevar a cabo la perforación de agujeros con la precisión requerida.
La temperatura del láser, y en consecuencia la puntería del haz, se estabiliza después de un cierto período de tiempo, por ejemplo, cinco minutos, haciendo que la dirección del galvanómetro sea reproducible, siempre y cuando el láser permanezca encendido. Sin embargo, este periodo de estabilización representa un periodo de pérdida de producción en la operación de perforación. Se necesita un diseño y una construcción de un láser de guía de ondas de CO2 que pueda reducir, e incluso eliminar, el período de estabilización de puntería.
Resumen de la invención
En un aspecto, el aparato láser según la presente invención se define en la reivindicación 1.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos que se acompañan, que se incorporan y constituyen una parte de la memoria descriptiva, ilustran esquemáticamente una realización preferida de la presente invención, y junto con la descripción general dada anteriormente y la descripción detallada de la realización preferida dada a continuación, sirven para explicar los principios de la presente invención.
La figura 1 es una vista en perspectiva que ilustra esquemáticamente una realización preferida de un aparato láser de guía de ondas de CO2 según la presente invención, que incluye un compartimento de resonador alargado y un compartimento de fuente de alimentación alargado separados por un disipador de calor refrigerado por agua.
La figura 1A es una vista en sección transversal lateral vista generalmente en la dirección 1A-1A de la figura 1, que ilustra esquemáticamente los detalles del compartimento de resonador, el compartimento de fuente de alimentación y el disipador de calor del láser de la figura 1, incluyendo canales de refrigeración integrales.
La figura 1B es una vista en perspectiva en sección transversal longitudinal que ilustra esquemáticamente otros detalles de los canales de refrigeración integrados en el disipador de calor de la figura 1A.
La figura 2 es una vista en perspectiva que ilustra esquemáticamente otra realización preferida de un aparato láser de guía de ondas de CO2 según la presente invención, similar al láser de la figura 1, pero en el que los canales de refrigeración integrales del disipador de calor son sustituidos por un conducto de refrigeración serpenteante.
La figura 2A es una vista en sección transversal lateral vista generalmente en la dirección 2A-2A de la figura 2, que ilustra esquemáticamente los detalles del conducto de refrigeración del láser de la figura 2.
La figura 2B es una vista en sección transversal en perspectiva vista en general en la dirección 2B-2B de la figura 2, que ilustra esquemáticamente otros detalles del conducto de refrigeración de la figura 2.
Descripción detallada de la invención
Volviendo a los dibujos, en los que las características similares se designan con números de referencia similares, las figuras 1, 1A y 1B ilustran esquemáticamente una realización preferida 20 de un aparato láser de guía de ondas de CO2 según la presente invención. En una extrusión de aluminio alargada o un alojamiento de aluminio extruido 22 se definen un compartimento de resonador alargado 24 y un compartimento de fuente de alimentación alargado 26. Los compartimentos de resonador y de fuente de alimentación están separados por un disipador de calor 28 que es una parte integral de la extrusión 22.
En el compartimento de alimentación 26 hay una fuente de alimentación RF 50 que tiene componentes eléctricos (no mostrados) montados en una placa de circuitos impresos (PCB) 51. La PCB 51 se soporta en el disipador de calor 28 en comunicación térmica con el mismo. En el compartimento de resonador 24 hay una unidad resonadora 25 que incluye una placa cerámica 40, en la que se han mecanizado canales de guía de ondas 42. El compartimento de resonador 24 está sellado herméticamente por placas de extremo 30 en las que están montados espejos de resonador 32. Los espejos de resonador definen un resonador “plegado” que tiene un eje de resonador que se extiende a través de los canales de guía de ondas. El compartimento de resonador contiene una mezcla de gas de laseado que incluye dióxido de carbono. El compartimento de fuente de alimentación 26 está rodeado por una placa superior 34 y unas placas de extremo 36 (véase la figura 1).
La placa cerámica 40 de la unidad resonadora 25 está respaldada por una placa de electrodo “vivo” 44. La unidad resonadora se mantiene en contacto térmico con el disipador de calor 28 mediante muelles 27. La placa de electrodo vivo 44 está aislada eléctricamente de la extrusión 22 por una placa cerámica 40 y espaciadores cerámicos 29. La extrusión 22 y, en consecuencia, el disipador de calor 28 están conectados eléctricamente a tierra. La energía de RF procedente de la fuente de alimentación 50 se suministra a la placa de electrodo mediante un conducto aislado 52 que se extiende verticalmente a través del disipador de calor a través de una abertura 49 del mismo. Cuando se suministra potencia RF a la placa de electrodo vivo 44, se produce una descarga y se mantiene en el gas emisor de láser en los canales de guía de ondas 44 para energizar el resonador láser.
Se señala aquí que sólo se describen y representan suficientes detalles de la unidad resonadora del resonador del láser 20 para comprender los principios de la presente invención. Los detalles de los láseres de guía de onda con resonador plegado de CO2 son bien conocidos en la técnica. Una descripción detallada de los láseres de guía de onda de c O2 con resonador plegado en varias configuraciones de plegado se proporciona en la Patente de Estados Unidos número 6.788.722, cedida al cesionario de la presente invención.
Con referencia en particular a las figuras 1A y 1B, el disipador de calor 28 es enfriado por el agua que fluye a través de una pluralidad de canales que se extienden longitudinalmente, formados por la perforación a través del disipador de calor 28 desde un extremo del mismo al otro. Aquí hay cuatro de estos canales, designados por los números de referencia 54, 55, 56 y 57.
Con referencia específicamente a la figura 1B, una conexión de fluido entre los canales 54 y 55 la proporciona un canal lateral 58 perforado en el disipador de calor 28 desde un borde lateral del mismo. Una conexión de fluido entre los canales 56 y 57 la proporciona un canal lateral 59 perforado en el disipador de calor 28 desde un borde lateral opuesto del mismo. Un canal lateral 60 perforado en el disipador de calor desde su mismo borde lateral que el canal 58 proporciona una conexión de fluidos entre los canales 55 y 56. Los canales laterales 58 y 59 discurren a lo largo de un extremo del disipador de calor, mientras que el canal 60 discurre a lo largo del extremo opuesto. Una pluralidad de tapones 62 insertados en los canales laterales y longitudinales están dispuestos de tal manera que el agua introducida en el canal 54 fluya en forma de serpentín a través de los canales 54, 55, 56 y 57 en secuencia y salga del disipador de calor a través del canal 57.
Con referencia de nuevo a la figura 1A, los canales de agua de refrigeración descritos anteriormente se encuentran en un plano 64, paralelo a los compartimentos de la fuente de alimentación y del resonador, y que está preferiblemente posicionado en el disipador de calor de tal manera que, en la puesta en marcha y el funcionamiento del láser 20, cualquier tendencia a la inclinación longitudinal del láser debido a la expansión diferencial se minimiza, si no se elimina por completo. Esto puede denominarse una condición termomecánica neutra del láser. En general, el plano 64 estará más cerca del compartimento de la fuente de alimentación que del compartimento de resonador, lo que refleja el hecho de que la fuente de alimentación genera más calor que la unidad resonadora.
El láser representado en las figuras 1 y 1A es representativo de un láser de guía de onda de CO2 que tiene una salida de 35 vatios (W) activada por una fuente de alimentación de RF que tiene una potencia de salida de 350 W. Dicho láser tendría una longitud de unos 30 centímetros (cm), una anchura de unos 9 cm y una altura de unos 7 cm. El disipador de calor 28 tiene un grosor de unos 2,2 cm. El plano 64 está situado a unos 0,6 cm de la PCB 51 para lograr la condición termomecánica neutra.
Se hace notar aquí que estas dimensiones antes especificadas son meramente ejemplares. Los expertos en la materia, a partir de la descripción presentada en este documento, pueden seleccionar otras dimensiones para la misma o diferente potencia láser y configuración del resonador sin apartarse del alcance de la presente invención. Las propiedades térmicas y mecánicas de tales estructuras pueden investigarse utilizando software de diseño mecánico, como SOLIDWORKS (marca comercial registrada) que se puede obtener de Dassault Systémes Inc. de Waltham, Massachusetts.
Cabe señalar aquí que, si bien la presente invención se describe anteriormente como la incorporación de un láser de CO2 de guía de onda de resonador plegado con un modo operativo guiado en dos direcciones transversales mutuamente perpendiculares por una pluralidad de canales de guía de onda, los principios de la invención son igualmente aplicables a un resonador que incluya un único canal de guía de onda ancho que guíe un modo en una sola dirección transversal. En dicho láser, se seleccionaría un resonador inestable para guiar el modo en un camino en zigzag en un plano perpendicular a la dirección de la guía de ondas. Los profesionales de la técnica suelen referirse a este tipo de láser como un láser de CO2 de placa. Uno de estos láseres se describe en detalle en la Patente de Estados Unidos número 8.731.015, cedida al cesionario de la presente invención.
Las figuras 2, 2A y 2B ilustran esquemáticamente otra realización preferida 20A de un aparato láser de CO2 de guía de onda según la presente invención. El láser 20A es similar al láser 20 de la figura 1 con la excepción de que el camino de enfriamiento serpenteante (conducto) del láser 20 formado por canales laterales y longitudinales perforados a través del disipador de calor es reemplazado en el láser por un conducto serpenteante formado por tubos longitudinales 74, 75, 76, y 77 en perforaciones correspondientes a través del disipador de calor 28 conectados por tubos laterales 78, 79, y 80 fuera del disipador de calor.
Con referencia en particular a la figura 2B, los tubos 74 y 75 están conectados por el tubo 78. Los tubos 75 y 76 están conectados por el tubo 79. Los tubos 76 y 77 están conectados por el tubo 80. En la disposición de la figura 2B, el agua de refrigeración se introduce en el tubo 74 y fluye secuencialmente a través de los tubos 74, 78, 75, 79, 76, 80 y 77 saliendo del conducto por el tubo 77.
Una ventaja de esta disposición es que se evitan las operaciones de perforación lateral (para crear los canales 48, 59 y 60) y la colocación de tapones de la disposición de la figura 1B. Una desventaja potencial es que debe haber un ajuste estrecho de los tubos al disipador de calor para proporcionar una conducción térmica adecuada entre el calor y los tubos longitudinales. Esto puede complicar un poco el montaje del conducto.
En resumen, la presente invención se ha descrito anteriormente en términos de una realización preferida y otras. Sin embargo, la invención no se limita a las realizaciones descritas e ilustradas en este documento. Más bien, la invención se limita únicamente por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Aparato láser, que comprende:
un compartimento resonador alargado y lleno de gas (24) que incluye una unidad resonadora de láser (25), incluyendo la unidad resonadora una placa de cerámica (40);
un compartimento alargado de fuente de alimentación de radiofrecuencia RF (26) que incluye una fuente de alimentación de radiofrecuencia (50) para energizar el gas en la unidad resonadora, teniendo la fuente de alimentación de radiofrecuencia componentes eléctricos montados en una placa de circuitos impresos PCB (51); y donde el compartimento de resonador (26), que incluye la unidad resonadora (25) y la placa cerámica (40), y el compartimento de fuente de alimentación (26), que incluye la fuente de alimentación de RF (50) y la placa de circuitos impresos (51), están alineados paralelos entre sí y separados espacialmente por un disipador térmico alargado (28) adaptado para ser refrigerado por agua donde la placa cerámica (40) y la placa de circuitos impresos (51) están situadas en lados opuestos del disipador de calor (28), incluyendo el disipador de calor (28) canales separados (54, 55, 56, 57) que están alineados con la placa de circuitos impresos (51) y la placa cerámica (40), y las unidades resonadora (25) y de fuente de alimentación (50) están en comunicación térmica con el disipador de calor (28).
2. El aparato de la reivindicación 1, donde el gas de la unidad resonadora (25) es una mezcla de gases que incluye dióxido de carbono.
3. El aparato de la reivindicación 1, donde la placa cerámica (40) tiene al menos un canal de guía de ondas (42) en una superficie del mismo para guiar un modo de laseado del láser, y donde la placa de circuitos impresos (51) y la placa cerámica (40) están en comunicación térmica con el disipador de calor (28).
4. El aparato de la reivindicación 3, donde la superficie con canalización de guía de ondas de la placa cerámica (40) de la unidad resonadora (25) está orientada hacia el disipador de calor (28).
5. El aparato de la reivindicación 1, donde los canales espaciados (54, 55, 56, 57) incluidos en el disipador de calor (28) comprenden un conducto serpenteante para hacer fluir agua a través del disipador de calor (28) para refrigerar el disipador de calor (28).
6. El aparato de la reivindicación 5, donde el conducto serpenteante está en un plano (64) del disipador de calor (28) paralelo a los compartimentos de fuente de alimentación (26) y de resonador (24) y más cerca del compartimento de fuente de alimentación (26) que del compartimento de resonador (24).
7. El aparato de la reivindicación 6, donde las distancias del plano del conducto serpenteante desde los compartimentos de fuente de alimentación (26) y de resonador (24) se seleccionan de tal manera que el aparato láser sea termo-mecánicamente neutro en el sentido de que, en el uso del aparato láser, se minimice o elimine el arqueo longitudinal del aparato láser debido a la expansión diferencial.
8. El aparato de la reivindicación 1 que incluye una carcasa alargada de aluminio extruido (22), incluyendo dicha carcasa una cámara inferior que define el compartimiento de resonador (22), incluyendo además dicha carcasa una cámara superior que define el compartimiento de la fuente de alimentación (24).
9. El aparato de la reivindicación 8, donde los canales separados (54, 55, 56, 57) en el disipador de calor (28) han sido perforados en el aluminio.
10. El aparato de la reivindicación 5, donde dicho conducto en forma serpenteante incluye una pluralidad de canales longitudinales y una pluralidad de canales transversales que proporcionan comunicación entre canales longitudinales adyacentes y tapones colocados en varias ubicaciones en los canales longitudinales y transversales de manera que el flujo se dirija en forma serpenteante.
11. El aparato de la reivindicación 1 incluyendo además tubos en los canales.
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