TWI594531B

TWI594531B - 實密二氧化碳板塊雷射

Info

Publication number: TWI594531B
Application number: TW102110858A
Authority: TW
Inventors: 里昂Ａ紐曼; 艾德里恩帕帕奈德; 馬修Ｄ塞尼斯基; 小湯瑪斯Ｖ亨尼西
Original assignee: 科希倫股份有限公司
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2017-08-01
Also published as: CN104396100A; CN104396100B; US20130259074A1; TW201345094A; WO2013148530A2; US8731015B2; EP2831962B1; EP2831962A2; WO2013148530A3

Description

實密二氧化碳板塊雷射

發明領域

本發明大體上係關於射頻(RF)激勵之二氧化碳(CO₂)氣體放電雷射。本發明特定係關於用於此等雷射之商用封裝配置。

發明背景

圖1示意性地說明用於高功率CO₂板塊雷射系統10的先前技術封裝配置10。該配置包含封裝於單獨包體中的三個基本子系統。該三個子系統為：包體12中之固態高功率RF電源(RF power supply，RFPS)；包體14中之RF阻抗匹配網路，其包含使RFPS之輸出阻抗與雷射放電之輸入阻抗匹配所需的組件；以及密封之CO₂雷射管套16，其含有位於雷射氣體混合物中之雷射放電電極，以及一光學共振器。圖1中未展示含有用於修改輸出雷射束之光學組件的第四子系統。此第四子系統包含：用於清除雷射束之空間濾波器總成，以及用於使雷射束成形之透鏡；光學檢測器，其用於告知使用者是否正發射雷射束；以及電子控制之安全光柵，其用以保護使用者免於意外雷射輻射曝露。

為了防止雜散RF輻射導致電磁(EM)干擾，三個子總成包體通常均為接地之金屬包體，且包體之輸入及輸出埠均經重屏蔽。為了防止高功率雷射操作(例如，高於250 W之雷射輸出功率下的操作)下的過熱，所有三個包體及該光學系統均具備液體冷卻，如圖1中示意性地指示。

將DC功率輸入18(通常為48伏)提供至RFPS 12。亦提供輸入命令信號埠20，以使系統操作者能夠將接通及斷開脈衝指令提供至RFPS，且亦將打開及關閉命令提供至安全光柵(未圖示)。RFPS 12亦可含有診斷電路，其用於經由線22向操作者報告雷射系統10之狀態。

自雷射系統之效率、大小及成本考慮，希望將包體12、14及16，以及上文論述之光學子總成定位成盡可能靠近在一起。此舉用以降低RF及光學損失，並且降低與提供互連同軸電纜相關聯的成本。此舉當然並不降低建置、冷卻及互連單獨包體之基礎成本及努力。

包體12、14及16以及其間之互連的內部配置的一些細節在圖2中示意性地描繪。為了例示簡單，在RFPS包體12中，僅描繪用於經由多個同軸電纜區段24組合多個放大器級之輸出的配置。此功率組合配置在讓與本發明之受讓人之美國專利第7,755,452號中描述，且該專利之完整揭示內容特此以引用之方式併入本文中。

RFPS之經組合單一輸出穿過良好屏蔽之RF互連盒26，以將組合功率自RFPS帶至阻抗匹配網路28，此處，阻抗匹配網路28包括電感L1及L2，以及電容器C1及C2。電感L1、L2以及電容器C1一起連接於共用節點29處。阻抗匹配網路28之輸出連接至包體16中之密封低阻抗饋通(由虛線輪廓30指示)，以匹配雷射之放電電極34及36的阻抗ZL。

諸如系統10之雷射系統通常整合至用於進行諸如雷射加工或雷射熱處理等一些雷射製程的大得多的設備中。因此，總是需要減小此雷射系統之大小並降低其複雜性，以使該雷射系統較易整合至雷射處理系統中，並使該處理系統本身較實密。

發明概要

本發明係針對CO₂ RF氣體放電雷射設備。在一個方面中，根據本發明之設備包括雷射外殼，其由狹長金屬擠型形成，所述擠型經組配來准許冷卻劑流體自其穿過以用於冷卻該外殼。第一及第二狹長放電電極位於該雷射外殼中。該等電極彼此間隔開且平行，從而在其間界定放電間隙。第一電極充當活電極，且第二電極充當接地電極。該等放電電極經組配來准許冷卻劑流體自其穿過以用於冷卻該等電極。提供第一及第二共振器鏡，該等共振器鏡界定一雷射共振器，其延伸穿過放電電極之間的放電間隙。具有操作頻率之射頻電源(RFPS)以及阻抗匹配網路位於雷射外殼中，用於將RF功率供應至電極，來在放電間隙中形成RF放電，以致使雷射束在雷射共振器中產生並自雷射共振器傳遞。將RFPS組合於狹長金屬安裝板上，該狹長金屬安裝板經組配來准許冷卻劑流體自其穿過，以冷卻組合於其上的RFPS。

在該設備之較佳實施例中，存在用於將穿過金屬擠型之冷卻劑流體、該等電極以及RFPS之金屬安裝板組合為具有單一冷卻劑流體輸入端及單一冷卻劑流體輸出端的冷卻劑迴路的配置。該冷卻劑迴路經配置以使得該冷卻劑迴路使得傳遞至冷卻劑輸入流中之冷卻劑流體依序經過金屬外殼擠型；經過該等電極，且經過RFPS之金屬安裝板，之後經由冷卻劑輸出端退出冷卻劑迴路。

10‧‧‧高功率CO2板塊鐳射系統

12‧‧‧包體/射頻電源/射頻電源包體

14‧‧‧包體

16‧‧‧包體/CO2鐳射管套

18‧‧‧直流功率輸入

20‧‧‧輸入命令信號埠

22‧‧‧線

24‧‧‧同軸電纜區段

26‧‧‧射頻互連盒

28‧‧‧阻抗匹配網路

29‧‧‧共用節點

30‧‧‧虛線輪廓

34、36‧‧‧放電電極

40‧‧‧鐳射包體

42、44‧‧‧內壁

46、48、50‧‧‧隔室

50A‧‧‧子隔室

51‧‧‧金屬板

52‧‧‧軌道

54‧‧‧鳩尾軌道

56、58、76、88‧‧‧凹槽

60‧‧‧肋狀物

62A、62B‧‧‧內部液冷通道

64‧‧‧螺孔

70‧‧‧活電極/「熱」電極

71‧‧‧接地電極

72‧‧‧狹長U形冷卻管

72A、72B‧‧‧端部

73‧‧‧放電間隙

74‧‧‧區域

F1‧‧‧折疊

F2‧‧‧第二U形折疊

F3‧‧‧第三折疊

80‧‧‧射頻電源

82‧‧‧金屬冷卻板

84、86‧‧‧印刷電路板

90A、90C、90D‧‧‧內部冷卻劑通道

90B‧‧‧內部冷卻劑通道

90F、90G、90E‧‧‧盲交叉溝道

92‧‧‧溝道插頭

94‧‧‧放電電極總成

96‧‧‧射頻連接器總成/柱

98‧‧‧經絕緣密封件/饋通

100‧‧‧銅帶連接器

102‧‧‧可變圓盤電容器

104、108‧‧‧銅帶

106‧‧‧銅夾

112‧‧‧銦密封件

114‧‧‧金屬唇

116、124、186‧‧‧凹部

120‧‧‧鈹-銅延伸物

122、366、384‧‧‧孔口

126、148、156、162、174、237、304A、304B、320、328、336、`89、392‧‧‧螺絲

130‧‧‧圓形鋁電接地柱

132‧‧‧凹入環

134‧‧‧斜向線圈彈簧

136‧‧‧圓形盲孔

138‧‧‧突耳

140‧‧‧圓形薄陶瓷墊圈

142‧‧‧螺栓

144‧‧‧次要突耳

146‧‧‧電感器線圈

150‧‧‧高反射、矩形、矽(Si)、凹入反饋鏡總成

150A‧‧‧輸出鏡

152‧‧‧鋁片金屬蓋

154‧‧‧安裝板

158A‧‧‧端板

158‧‧‧鋁端凸緣

160‧‧‧經加工凹槽

164A、164B‧‧‧護板

170‧‧‧端蓋

176A、176B、296、316、324‧‧‧孔

178‧‧‧插頭

180‧‧‧鋁撓曲件

181‧‧‧硬托架

182‧‧‧帶角螺絲

184‧‧‧經加工鏡調整柱

184A‧‧‧調整柱

188‧‧‧隔板部分

190‧‧‧完整鐳射

192‧‧‧任擇蓋

194、196‧‧‧架座

198、200、202、204‧‧‧孔口或開口

210‧‧‧48 V直流輸入連接器

212‧‧‧直流接地連接器

214‧‧‧輸入埠

216‧‧‧輸出埠

217‧‧‧電子元件隔室蓋

218‧‧‧乙太網路連接器

220、222‧‧‧控制介面連接器

224、226‧‧‧可調整鏡固持器

228、230‧‧‧可拆冷卻劑流體歧管

232、234、236、238‧‧‧退出埠夾具固持器

235‧‧‧塊

240、242‧‧‧埠

246‧‧‧冷卻通道

248‧‧‧V形凹槽凹部

249‧‧‧銦環

252、250‧‧‧塑膠O形環

254‧‧‧管

259、260、262、264、266、268、270、272‧‧‧箭頭

280‧‧‧板

282‧‧‧窗口

284‧‧‧導管

290、340‧‧‧實例

292、342‧‧‧空間濾波器外殼塊

294‧‧‧鳩尾部件

298A、298B‧‧‧銅插入件

300A、300B、310‧‧‧刀緣

302‧‧‧開口

308‧‧‧金屬刀緣推動器

312、386‧‧‧狹槽

314‧‧‧長螺絲

318‧‧‧帶螺紋盲孔

322‧‧‧鎖定螺母

326‧‧‧鎖定板蓋

330‧‧‧流體冷卻塊

332、334、394、396‧‧‧夾具

344‧‧‧V形凹槽部件

346‧‧‧帶螺紋孔

348‧‧‧銷

350、370‧‧‧空間濾波器元件

352‧‧‧匹配狹槽

353‧‧‧第一空間濾波器表面

354‧‧‧銅圓柱

356‧‧‧上部部分

358‧‧‧下部部分

360‧‧‧凹槽或狹槽

362‧‧‧部分帶螺紋孔

364、382‧‧‧壓縮彈簧

372‧‧‧圓形平坦表面

376‧‧‧間隙

378‧‧‧螺絲起子狹槽

380‧‧‧圓柱

388‧‧‧鋁鎖定保持器

390‧‧‧冷卻塊

併入本說明書中並構成其一部分的隨附圖式示意性地例示出本發明之較佳實施例，且連同上文給出之一般描述及下文給出之較佳實施例之具體描述一起，用以闡釋本發明之原理。

圖1示意性地例示出先前技術CO₂板塊雷射配置，其包含：第一外殼，其含有若干放電電極及一雷射共振器；第二外殼，其含有一射頻電源(RFPS)；以及第三外殼，其含有一阻抗匹配網路，用於使RFPS輸出阻抗與放電電極之阻抗匹配。

圖2為示意性地例示出圖1之板塊雷射配置中之電組件、連接及饋通配置的電路圖。

圖3為示意性地例示出根據本發明之雷射外殼之流體冷卻雷射外殼擠型的橫截面圖，該擠型具有：第一隔室，其用於容納RFPS及阻抗匹配網路；第二隔室，其用於容納電極總成及阻抗匹配網路；以及第三隔室，其用於容納包含空間濾波器之束調節光學元件。

圖4A、圖4B、圖4C及圖4D示意性地例示出根據本發明之用於提供電極與雷射外殼之間的極高RF阻抗之經延伸、經折疊電極冷卻管之形成中的步驟。

圖5為示意性地例示出圖3之具有包含活電極及接地電極、RFPS及相關聯之阻抗匹配電路，以及安裝於對應隔室中之空間濾波器之電極總成的擠型的橫截面圖，該RFPS組合於流體冷卻之冷凝板上。

圖5A為示意性地例示出圖5之RFPS冷凝板中之流體冷卻溝道之較佳配置的平面圖。

圖6A為示意性地例示出用於將圖5之外殼之第一隔室中之阻抗匹配網路與圖5之外殼之第二隔室中之電極總成之活電極連接的配置的局部三維圖。

圖6B為示意性地例示出圖6A之活電極連接之進一步細節以及接地電極與第二隔室之基礎的連接之細節的局部三維圖。

圖7為示意性地例示出圖5之外殼之第二隔室之端板上的雷射共振器之高度反射端鏡之安裝的細節以及該外殼之第二隔室之基礎上之電極總成之安裝配置的細節的局部三維圖。

圖7A及圖7B示意性地例示出圖7之外殼之第二隔室中在該外殼之每一端處之電極及鏡安裝之進一步細節。

圖8為示意性地例示出根據本發明之包含具有外殼蓋之圖5之擠出外殼之雷射的較佳實施例的三維圖。

圖8A為示意性地例示出外殼蓋經移除以曝露擠型中之孔口以促進包含圖5之空間濾波器之組件在外殼隔室中之安裝及調整的圖8之雷射的三維圖。

圖9為示意性地例示出雷射之共振器輸出端處之端板及組件以及其上之冷卻流體歧管之細節的圖8之雷射的局部三維圖。

圖10為流體冷卻歧管經移除以展示電極冷卻管至端板之附接之細節的圖9之雷射端之局部三維圖。

圖11為示意性地例示出電極冷卻管至端板及至圖9之歧管之密封的細節的局部三維圖。

圖12為示意性地例示出進入圖8之歧管中及自圖8之歧管中出來之冷卻劑流體流動模式及方向之一個實例的圖9之雷射端的局部三維圖。

圖13為示意性地例示出雷射之雷射束端處之端板及組件之細節的圖8之雷射的局部三維圖。

圖14為示意性地例示出圖8及8A之雷射之第三隔室中之空間濾波器總成之一個較佳實施例之細節的分解三維圖。

圖15為以組合形式示意性地例示出圖14之空間濾波器總成的三維圖。

圖15A為以組合形式示意性地例示出圖14之空間濾波器總成的正視圖。

圖15B為大體在圖15A之方向A-A上來看之示意性地例示出圖15之總成中之組件之交互作用的細節的橫截面圖。

圖15C為大體在圖15A之方向B-B上來看之示意性地例示出圖15之總成中之組件之交互作用的進一步細節的橫截面圖。

圖16為示意性地例示出圖8及8A之雷射之第三隔室中之空間濾波器總成之另一較佳實施例之細節的分解三維圖。

圖17為示意性地例示出呈組合形式之圖16之空間濾波器總成之組件之交互作用的細節的該空間濾波器總成之橫截面圖。

較佳實施例之詳細說明

現在參看圖式，其中相同組件由相同參考標號表示，圖3為示意性地例示出示意性地例示出根據本發明之雷射包體40的無陰影橫截面圖。該包體主要由定製的鋁擠型形成，且由內壁42及44劃分為單獨隔室46、48及50。該等隔室由圖3中未展示但在編號較高之圖式中描繪並在下文進一步論述的端凸緣密封。擠型之例示性外尺寸為大約四十四吋之長度、大約八吋之高度以及大約七吋之寬度。

隔室46用於圍封雷射之RFPS電源以及雷射放電電極之阻抗匹配網路。因此，此隔室組合上文所論述之先前技術雷射系統之包體12及14的功能。隔室48用於容納雷射之放電電極子總成，且因此對應於先前技術雷射系統之包體16。隔室50用於容納上文所論述但先前技術圖式圖1或圖2中未展示之光學元件子總成。

沿隔室46之內側，存在用於支撐RFPS子總成之軌道52。沿隔室50之內側，存在鳩尾軌道(dovetail rail)54及凹槽56，其用以支撐束成形光學元件子總成之組件。在隔室48之每一端(僅展示一者)處，存在經配置以容納軟金屬密封件之凹槽58，該軟金屬密封件與端凸緣協作，用於密封用於包含雷射氣體混合物之隔室。此混合物通常為CO₂、氮(N₂)及氦(He)之混合物，如此項技術中已知。沿擠型以各種周邊間隔延伸之肋狀物60提供剛性，同時允許減小壁厚度來最小化重量。

提供兩個內部液冷通道(導管)62A和62B，其各自沿擠型之對應側上的長度鋪設。此等通道較佳為相對較大直徑之通道。此舉消除了將銅管插入通道內之需要，以及將防腐劑添加到冷卻劑之需要。可藉助使冷卻通道之直徑相對較大(例如，在上文所論述之例示性擠型尺寸之上下文中，約為3/8吋之直徑)來實現此情形。提供多個螺孔64，以用於附接端凸緣(端板或蓋板)。

儘管發明性雷射之對應子總成在功能上等效於圖1及2之先前技術雷射之子總成，但為了將發明性雷射系統容納於圖3之帶隔室外殼中，有必要對該等子總成進行某些修改。下文開始參看圖4A、4B、4C及4C陳述此等修改之描述，圖4A、4B、4C及4C示意性地例示出提供不需要與雷射外殼之電絕緣的電極冷卻配置的步驟。

圖4A示意性地例示出雷射之活電極或「熱」電極70之端部分。為了例示簡單，未展示對應的接地電極。將狹長U形冷卻管72自電極70(未圖示)之端部插入延伸穿過該電極之兩個鏜孔(未圖示)中。選擇延伸之U形冷卻管(在雷射操作期間，處於熱電極電位)的長度，來提供管自該電極突出之充分長度，使得當平行於其自身折疊兩次時，該延伸在RFPS頻率(約100MHz)下提供充分高的電感，使得其可接觸接地之包體，而不導致短路。此意味著有可能將冷卻管連接至雷射外殼，而無需提供絕緣之饋通。此舉節約了空間以及此饋通之相關聯成本。在圖4A中，將該管之一端72A描繪為已經反轉過來折疊了兩次。另一端72B尚待折疊。解除電極之區域74，且提供凹槽76(在圖4A中，僅在一側上可見)以容納該管之經兩次折疊之端。對於100MHz之操作頻率，該管較佳具有至少約十二吋(12”)之未折疊長度。

圖4B描繪在距電極之端部距離L(約等於該電極之經解除部分之長度)處形成於冷卻管72之端部72B中的第一折疊。圖4C描繪形成於該管之端部72B中的第二U形折疊F2，其用以將管端折疊至凹槽76中，並沿電極之經解除部分74。圖4D描繪第三折疊F3，其經添加來折疊F1以便將該管之端部72B沿電極之經解除部分74反轉過來折疊。

圖5為示意性地描繪安裝有雷射子總成之圖3的擠型40的橫截面圖。此圖式為自雷射原型之實際工程設計圖式再現，且包含該等子總成之許多細節，藉此提供發明性雷射之實密性的圖形描述。在本發明描述中，在此點上僅識別並論述被認為新穎且重要的子總成之彼等細節。下文酌情以伴隨例示論述進一步細節。

將RFPS 80安裝於隔室46中。將RFPS之電子組件安裝於印刷電路板(PCB)84及86上，PCB 84及86安裝成與金屬冷卻板(冷凝板)82之相對側成熱接觸。板82本身較佳為鋁擠出板。PCB具有多層互連件，其提供RFPS之減小的表面積。冷卻板亦具有沿該板之相對邊緣之長度加工的凹槽88，其允許RFPS子系統騎於其中之軌道52上滑動至隔室46中。冷卻板具有內部冷卻劑通道90A、90B、90C及90D，其在擠出製程期間形成，且彼此平行延伸穿過冷卻板之長度。出於下文所論述之原因，將通道90B及90C描繪為插入圖5中。

圖5A示意性地例示出在冷卻板及交叉溝道之擠出期間形成的縱向溝道90A到90D的配置。以幻像描繪冷卻板輪廓。在該板之擠出之後，將盲交叉溝道90E、90F及90G鑽至冷卻板中。溝道90E連接溝道90A及90B；溝道90F連接溝道90C及90D；且溝道90G連接溝道90B及90C。藉由使用合適定位之多個溝道插頭92，如箭頭所指示，迫使輸入溝道90D中之冷卻流體(冷卻劑流體)遵循穿過溝道90D、90F、90C、90G、90B(以所述之序列)之路徑，經由溝道90A退出。

現繼續再次參看圖5，在擠出外殼40之隔室48中，定位發明性雷射之放電電極總成94。此總成包括上文所論述之活電極70，以及與電極70間隔開之接地電極71，且留下活電極與接地電極之間的放電間隙73。下文進一步論述電極總成及其至RFPS及外殼(用於接地)之連接的額外細節。然而，在圖5中應注意RF連接器總成96，其自隔室46中之RFPS延伸穿過壁42中之經絕緣密封件98，壁42使RFPS隔室與電極及共振器隔室以及束調節隔室組件分離。下文進一步描述將隔室48中產生之束輸送至隔室50中的方式。

束調節組件包含：新穎空間濾波器總成290；偵測器(圖5中不可見)，用以告知使用者是否正產生雷射束；以及安全光柵(圖5中亦不可見)，用以組織不需要時雷射束之傳遞。此等偵測器及光柵配置需要電佈線鎧甲。保持於凹槽56中之金屬板51提供子隔室50A，用於隔室50中之佈線鎧甲(未圖示)。板51屏蔽鎧甲免遭束調節組件中所產生之熱量。

在圖5中描繪用於擠型40之任擇蓋192。亦描繪附接至外殼用於為雷射提供動力平台之兩個架座中之一者(194)。此等特徵在下文進一步論述。

當閱讀此描述時應記住，僅電極總成隔室48為密封的。需要此密封，因為此隔室為含有雷射氣體混合物之隔室。需要其他隔室之RF密封，以防止RF自雷射洩露。

圖6A及圖6B為示意性地例示出圖5之電極總成94之細節以及電極總成與隔室46中之RFPS的連接方式的三維圖。該總成主要於圖6A中描繪，而圖6B描繪安裝於圖5之發明性擠出外殼40之隔室48中之總成的細節。該總成包含使總成能夠整合至擠出外殼40中所需的創新。

RFPS最初經由附接至其的銅帶連接器100與總成之活電極70連接。依據圖2之先前技術配置，此帶連接至圖2之共用節點29，該處亦連接電容器C₁及電感器L₂。在圖6A及6B之配置中，C₁為由參考標號102表示之可變圓盤電容器。銅帶100具有等於圖2之電感L₁的分佈式電感。圖6A中之銅帶104具有圖2之分佈式電感L₂，且藉助於銅夾106連接至密封之饋通98，銅夾106充當散熱器以及至密封饋通之RF連接器。對於較高功率雷射(大於約250W雷射輸出)，夾連接應經液體(流體)冷卻。提供銅帶108，用於將RFPS及阻抗匹配網路連接至擠出鋁外殼。在密封饋通98上之金屬唇114與加工於擠出外殼之壁42中之凹部116(見圖6B)之間提供銦密封件(軟金屬密封件)112。

將具有彈簧指接觸之鈹-銅延伸物120安裝於柱96上。此種類型之接觸在讓與本發明之受讓人之美國授予前公開案中詳細描述，且該案之完整揭示內容特此以引用之方式併入本文中。該柱以及其上之彈簧指接觸穿過壁42中之孔口122而插入，其中彈簧指彈壓抵靠加工至活電極之頂部中的凹部124之側。饋通總成藉由螺紋旋擰至壁42中之四個螺絲126(見圖6B)而固持抵靠外殼之壁42。

在接地電極71之底部上的長度的約一半處，將圓形鋁電接地柱130附接到接地電極之下側。在接近接地柱130之端部處，加工凹入環132，將「斜向線圈彈簧」134壓入凹入環132中，以形成與擠出外殼40的接地接觸。將接地柱130及其斜向線圈彈簧134壓入圓形盲孔136中，圓形盲孔136加工至外殼40之底部內側表面中(見圖6B)。使用具有壓入雷射系統外殼之底部中之盲孔中的斜向線圈彈簧的電接地柱來形成良好電接地接觸為用於促進將電極總成安裝至擠出鋁外殼之隔室48中的發明性配置。

繼續參看圖6A及6B，活電極70及接地電極71具有突耳138(在圖6A中，僅可見兩個，即一對)，其沿活電極70及接地電極71之每一側之長度週期性地加工，與電極成一體式。穿過該等突耳鑽孔。對於250 W之雷射，選擇電極尺寸為1.73吋寬且約32.5吋長。平行面向之電極之間的間距由圓形薄陶瓷墊圈140維持，陶瓷墊圈140插入於由穿過突耳中之孔的螺栓142壓縮在一起之匹配突耳138之間。電腦分析已顯示，對於約32.5吋之電極長度，電極之每一側上最小約四對突耳通常足以維持電極預期經歷之溫度變化範圍上的所需平行化。藉由改變陶瓷墊圈之厚度來調整電極之間的間隔，以獲得最佳束品質及最高雷射效率。電極之間的間距由許多因素決定，包含RF頻率、氣體混合物成分以及氣體壓力。電極間距通常由製造商根據經驗來改變，直至獲得良好雷射束品質及效率為止。約0.1吋之間距為較佳值，自其開始根據經驗為100 MHz RF 激勵板塊雷射搜尋最佳間距。

在空間維持突耳138之間提供次要突耳144，用於將電感器線圈146週期性地連接於熱電極與接地電極之間，並沿其長度均勻地分佈。該等線圈藉由螺絲148保持在合適位置。對於上文所論述之電極參數，約五個線圈146分佈於每一對空間維持突耳138之間。此等電感器線圈之目的為沿電極之長度將電壓分佈拉平，以便防止輝光放電中出現「熱」點。

圖7示意性地例示出在電極總成94之電極70與71之間延伸之負分支不穩定共振器的高反射、矩形、矽(Si)、凹入反饋鏡總成150之安裝的細節。鏡150沿其邊緣由鋁片金屬蓋152覆蓋，鋁片金屬蓋152具有圍繞矩形中心開口加工的一體式平彈簧，以曝露該鏡之反射表面。當經由螺絲156將蓋152旋擰至安裝板中時，鏡之邊緣保持向下抵靠安裝板154。附接至該鏡之護板164A及164B保護該等鏡免遭因雷射共振器腔中之循環而產生之放電，該循環形成自由電極產生之波導，穿過自由空間至該鏡，且返回至電極界定之波導中的過渡。

如將進一步論述，由共振器產生之雷射束經由其端板中之窗口退出電極總成隔室，且由附接至該端板之鏡引導至束成形組件隔室中。該束最終作為輸出經由窗口282自該外殼傳遞。

安裝板154附接至柱(圖7中不可見)，該柱加工至鋁端凸緣158中。該柱藉由薄可撓隔板(亦不可見)連接至端凸緣，該薄可撓隔板在該柱加工之後保留。該鏡藉助位於密封雷射外殼外部的三個螺絲(亦不可見)在密封雷射外殼內對準，該等螺絲推擠該柱之端部，藉此准許自外殼之外部對準該鏡。在下文所涉及之其他圖式中描述並描繪此及類似鏡對準配置的進一步例示。

將端凸緣(端板)158固緊抵靠擠出雷射外殼(未圖示)，擠出雷射外殼具有位於經加工凹槽160中之軟金屬C形環密封件，經加工凹槽160接合外殼之對應凹槽(見圖3之凹槽58)。藉由將螺絲162螺紋旋擰至外殼中來實現端凸緣固緊。

圖7中亦描繪用於外殼之RFPS隔室(圖3中之隔室46)的端蓋170。端蓋170防止由金屬網墊片172輔助之自RFPS隔室之RF洩露。墊片172藉由螺絲174壓縮於蓋170與RFPS之端部之間。在RFPS隔室之底部附近的兩個孔176A及176B覆蓋通往沿擠出外殼之冷卻通道(見圖3之通道62)的液體冷卻劑入口及出口孔口。插頭178插入交叉鑽孔之溝道(未圖示)。

繼續參看圖7，且另外參看圖7A及圖7B，電極總成94經由鋁撓曲件180附接至擠型40之隔室48的基部。該撓曲件附接至接地電極71，且藉由帶角螺絲182(見圖7A)附接至隔室48的基部。

在電極總成(圖7B)之共振器輸出端處，該電極總成藉由硬托架181附接至擠型40。輸出鏡(150A)總成之組配類似於鏡150之組配，包含放電屏蔽。鏡150A總成安裝於端凸緣158A上，其中可看到：經加工鏡調整柱184(如上文針對鏡150所論述)；凹部186，其由機械加工產生；以及自機械加工剩餘之凸緣的隔板部分188。

圖8為示意性地例示出根據本發明之完整雷射190的三維圖。此圖係自雷射之共振器輸出端觀看。雷射之輸出在相對端出現，且在來自共振器之束已穿過束調節組件之後出現。雷射190包含圖5之任擇蓋192，其中兩點架座194及一點架座196附接至擠出外殼。架座194及196實際上為雷射提供動力平台。

圖8A為示意性地例示出蓋192被移除以曝露擠出外殼140之圖8的經整合雷射190的分解三維圖。

將三個孔口或開口198、200、202及204切入擠出外殼中。開口198(展示具有任擇蓋)用於將阻抗匹配網路及密封饋通子總成插入且連接至RFPS隔室中。蓋在插入之後附接，且用以防止RF自隔室洩露。開口198亦用以將孔鑽入用於密封RF饋通之電極總成隔室中至活電極。可通過饋通孔來鑽上文所述的用於接地電極連接的淺盲孔。

提供開口200，用於將發明性空間濾波器總成290(亦見圖5)插入外殼之束調節組件隔室中。下文進一步描述此空間濾波器總成的實施例。

開口202用於將光學透鏡總成插入束調節總成隔室中且插入偵測器，並調整束成形及調準光學透鏡總成，該偵測器之功能為告知使用者雷射是否正發射IR雷射束。束成形透鏡為此項技術中眾所周知的，且本文不提供其詳細描述。開口204用於插入與該偵測器協作之光學安全光柵，且用於進行對該光學安全光柵之電連接及調整。開口200、202及204亦用以將電導線插入導線子隔室(圖5中的50A)內。如上文所述，需要此導線來進行至偵測器、安全光柵且至偵測器以及安全光柵之操作所需之雷射系統控制介面電路之連接。

圖9為示意性地例示出圖7及8所描繪之雷射190之端部的展開三維圖，此端部為雷射之包含共振器輸出鏡之端部。RFPS隔室蓋面板170面板具有48 V DC輸入連接器210及DC接地連接器212。冷卻流體經由輸入埠214饋送至雷射，且在遵循穿過雷射之各個組件的蛇狀路徑之後，經由輸出埠216退出。此在下文進一步詳細描述。

在電子元件隔室蓋217中，乙太網路連接器218用於將開/關命令供應至RFPS，且將打開/關閉命令供應至光柵。該連接亦用於接收關於DC電流之狀態、正向及反射RF功率以及冷卻劑溫度等的資訊。控制介面連接器220及222連接至端板170中之隔室中的兩個PCB(未圖示)。使用此等連接器來將脈衝重複頻率(pulse-repetition frequency，PRF)及調變命令提供至RFPS；且獲得關於電壓駐波比率(voltage standing-wave ratio，VSWR)失效狀態、RFPS工作循環失效狀態、互鎖信號以及雷射功率輸出讀數的資訊。

可調整鏡固持器224附接至端板158A。鏡(未圖示)接收經過共振器之輸出鏡退出共振器的雷射束，並使該束轉向約90°，穿過密封至雷射之電極隔室的壁中的ZnSe窗口(未圖示)。90度轉向之束由可調整鏡固持器226所固持之另一鏡(未圖示)接收。此鏡使該束改向另外的90°，藉此將該束引入束調節光學元件隔室中，束調節光學元件隔室中為上文所論述之空間濾波器總成及其他組件。在穿過空間濾波器總成之後，該束傳播至複合透鏡(未圖示)，其調準雷射束。自雷射外殼之相對端傳遞圓形(橫截面)經調準雷射束。

兩個可拆冷卻劑流體歧管228及230附接至蓋158A。此等歧管具有加工或鑽於其中之冷卻劑通道，以引導冷卻劑穿過上文所述之冷卻劑通道：沿外殼之擠型的長度並在擠型之側部內；穿過電極總成之活電極及接地電極；穿過RFPS冷凝板中的蛇狀通道；且最終到達圖5之子隔室50A中的可撓冷卻劑管以用於冷卻該隔室，以及任擇地冷卻束調節光學元件隔室中的空間濾波器及光柵。

圖10為示意性地例示出圖9中所描繪之雷射的其中冷卻劑流體歧管228及230自蓋158A拆離的端部的分解三維圖。退出埠夾具固持器232及234將該等歧管與電極總成之接地電極的冷卻劑管連接。退出埠夾具固持器236及238將該等歧管與電極總成之活電極連接。埠240及242將歧管228及230分別與RFPS冷凝板中之冷卻劑通道連接。

圖11為示意性地例示出一配置的局部三維橫截面圖，藉助該配置，來自電極之冷卻劑管可密封至雷射外殼，此處密封至外殼之端板158A，從而允許歧管自端板158A拆離，而不破壞密封。亦參考圖10。來自電極之管(例如，圖4A至4D之管72A或72B)的端部從端板突出，並穿過埠密封塊。此處，將退出埠夾具固持器236(見圖10)之塊235用作實例。突出的管延伸至228內的冷卻通道246中。

塊235中之V形凹槽凹部248具有插入其中之銦環249。當藉由螺絲237(見圖10)將塊235旋擰至板158A時，銦被壓碎至V形凹槽中，形成管與端板之間的密封。當將歧管旋擰至板時，兩個塑膠O形環250壓縮抵靠該塊、該管及該歧管之表面，藉此形成液體密封。冷卻劑管因此與歧管中的管252及254流體連接，用於使冷卻劑之流動自該管改向。

此處指出，管至端板的此高度有效之銦密封僅為可能的，因為管與板之間無需電絕緣。此係因為管延伸及折疊提供充分高的電感使得可免除此絕緣，如上文參看圖4A至4D所述。

圖12類似於圖9，但示意性地描繪出流體冷卻劑穿過歧管228及230的路徑，以及歧管對將冷卻劑自單一輸入分佈至單一輸出的貢獻。另外參看圖5。冷卻劑流在輸入部214處開始(如由箭頭259指示)，並沿擠出外殼冷卻劑通道62A(見圖5)之長度繼續進行。在雷射之相對端處的端蓋中存在水平溝道，其將圖5之冷卻劑通道62A與圖5之通道62B連接。冷卻劑經由通道62B流回至歧管228中，如圖12中由箭頭260指示。

歧管228引導冷卻劑流經由埠236及232(見圖10)穿過歧管之管252及254(見圖11)(如由箭頭262及264指示)，分別進入活電極及接地電極之冷卻劑管中。冷卻劑流經該等電極，並進入歧管230中，如由箭頭266及268指示。歧管230組合該流，並將該流經由端板之埠242(見圖10)向上引入RFPS冷凝板中，如由箭頭270指示。在RFPS冷凝板(冷卻板)中，冷卻劑在自冷卻劑退出埠216退出雷射190之前，進行圖5A中所描繪的四次縱向通過，如由箭頭272指示。

若需要冷卻束調節組件隔室中的組件，則可進行輸入冷卻劑之分流(tap-off)，並將其引入圖5之子隔室50A中的可撓塑膠管中。此冷卻劑將由對應連接返回，並與其他冷卻劑一起沿外殼之相對側向下流入歧管228中。為例示簡單，未展示此配置。或者，可為隔室50A之組件設置單獨的冷卻劑迴路。

圖13為示意性地例示出雷射190之與圖9中所描繪之端部相對的端部的展開三維圖。此視圖對應於圖7及圖7A之「內側」詳細視圖。注意，組件包含用於高反射鏡150(見圖7及7A)之端板158中的調整柱184A。雷射190之輸出穿過覆蓋束調節光學元件隔室之板280中的窗口282。導管284具有三個功能。一個功能為用於電極總成隔室的泵出埠。另一功能為用於該隔室的雷射氣體填充埠的功能。又一功能係作為用於在雷射氣體填充之後將雷射氣體混合物密封於共振器總成隔室內的「夾止」埠。

現轉向束調節組件隔室之組件，一個特別重要之此組件為上文所論述之空間濾波器總成，需要該空間濾波器總成來剝離自雷射共振器輸出之束的無用假性模式。在先前技術CO₂板塊雷射中，將該等空間濾波器用於此目的。然而，為了與發明性雷射之實密配置兼容，空間濾波器總成之發明性再設計係必要的。再設計之一個原因係需要經由雷射外殼擠型之側開口200(見圖8A)，即僅自總成之一側調整束調節光學元件隔室中的總成。另一原因係能夠將總成安裝於安裝束調節光學元件隔室之鳩尾軌道54(見圖3)上。又一再設計原因為提供如上文所論述之總成的任擇流體冷卻。

圖14為用於發明性雷射之經再設計空間濾波器總成的一個實例290的分解三維圖。經加工之空間濾波器外殼塊292包含倒轉的鳩尾部件294，其可滑至圖3之鳩尾軌道54上。可藉由螺紋旋擰至部件294之每一端上的孔296中的螺絲(未圖示)將總成鎖定於軌道上的合適位置中。

銅插入件298A及298B具有分別加工於其上的刀緣300A及300B。總成之所有其他部分均可由鋁製成。將插入件298A及298B插入空間濾波器外殼塊292之開口302中。插入件之與刀緣相對的端部藉由螺紋旋擰至空間濾波器外殼塊中且螺紋旋擰至插入件之相對端中之孔306A及306B中之兩組螺絲304A及304B固持在開口302內的合適位置中。螺絲304A及304B決定插入件位於開口302 內多遠。

將上面具有水平加工之刀緣310的金屬刀緣推動器308插入空間濾波器外殼塊292中的狹槽312中。刀緣推動器藉由螺紋旋擰穿過塊292中之孔316且螺紋旋擰至刀緣推動器308中之兩個帶螺紋盲孔318中的兩個長螺絲314固持在合適位置中。此兩個長螺絲將推動器之刀緣310抵靠刀緣300A之背部固持於插入件298A上。

具有鎖定螺母322之螺絲320螺紋旋擰穿過空間濾波器外殼塊中的孔324。將此螺絲用作插入件298B之刀緣300B的組合式推動器與止動件，用於調整該刀緣之位置。與推動器308協作之兩個長螺絲314用以調整插入件298A之刀緣300A的位置。此舉允許可經由雷射外殼擠型中之對應孔口自總成290之一側調整兩個刀緣(形成空間濾波器)。

鎖定板蓋326藉由螺絲328固持於空間濾波器外殼塊上的合適位置中。在完成刀緣調整之後，鎖定板該保持調整螺絲314及320之位置。流體冷卻塊330可用於任擇流體冷卻。冷卻劑經由夾具332及334傳遞及提取，且經由溝道(未圖示)在該塊中循環。藉由三個螺絲336將冷卻塊夾至空間濾波器外殼塊。

總成290由圖15(呈完全組合形式之三維圖)、由圖15A(呈完全組合形式之側視圖)；由圖15B(其為大體上在圖15A之方向A-A上看的橫截面圖)；且由圖15C(其為大體上在圖15A之方向B-B上看的橫截面圖)進一步示意性地例示。調整螺絲314及320的動作自該等橫截面圖來看特別清楚。

圖16為示意性地例示出適合用於發明性實密雷射中之空間濾波器總成的另一實例340的分解三維圖。圖17為成組合形式之總成340的縱向橫截面圖。遵循下文陳述之描述以參考兩個圖式係有用的。

總成340包含空間濾波器外殼塊342，其具有加工於用於安裝圖3之總成鳩尾軌道之背側上的V形凹槽部件344。提供帶螺紋孔346(每側上一個)，用於藉由螺絲(未圖示)將總成穩固地抵靠該軌道而固持。一個空間濾波器元件350由銅圓柱354中之匹配狹槽352形成，在該圓柱上留下上部部分356、下部部分358以及第一空間濾波器表面353。將凹槽或狹槽360加工於圓柱之上部部分中。將空間濾波器元件350插入外殼342中之部分帶螺紋孔362中，前面為壓縮彈簧364。該元件為該孔之不帶螺紋部分中的緊滑配合件。使用銷348來接合狹槽360，以用於垂直固定空間濾波器元件350(見圖17)之定向。此定向為使得經由外殼中之孔口366橫越外殼之雷射束可穿過空間濾波器元件中之狹槽。

另一空間濾波器元件370亦自銅圓柱加工。在圓柱之端部上加工圓形平坦表面372，從而形成第二空間濾波器表面。圓柱相對表面372之端部374帶螺紋。將元件370插入元件350中之狹槽352中。元件350之表面353及元件350之表面372形成表示為圖17中之間隙376的空間濾波器間隙。

將元件370之帶螺紋端374抵靠壓縮彈簧382旋擰至圓柱380內的配合螺紋中。圓柱380之外側帶螺紋，以用於接合孔之帶螺紋部分(見圖17)。元件370在其與空間濾波器表面372相對的端部中具有螺絲起子狹槽378。此狹槽經由圓柱380之端部中的孔口384可達。圓柱380之此端中具有狹槽386，以允許圓柱由諸如大螺絲起子等邊緣平坦之工具轉動。

尤其在圖17中可見，孔362中或外的旋擰圓柱350與彈簧364協作來調整空間濾波器表面353在外殼中的位置。圓柱380中或外之旋擰元件370調整空間濾波器表面372之位置。空間濾波器總成由鋁鎖定保持器388以及螺紋旋擰至外殼342中之對應盲帶螺紋孔中的螺絲389一起固持。冷卻塊390藉由螺絲392附接至外殼342。冷卻塊具有經由輸入端及夾具394及396流體可達之內部溝道(未圖示)。加工至冷卻塊中的狹槽398為金屬片提供額外支撐，該金屬片將外殼之束調節光學元件隔室分為兩個子隔室(見圖5)。

上文依據較佳實施例描述本發明。然而，本發明不限於所描述及描繪之實施例。相反，實施例由附加之申請專利範圍界定。

40‧‧‧雷射包體

42‧‧‧內壁