CN107851959A - 空气冷却的二氧化碳激光器 - Google Patents

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Abstract

二氧化碳波导激光器包括细长的谐振器单元和细长的供电单元。谐振器和供电单元被包括多个纵向延伸、间隔开的鳍部的冷却单元分隔开，并且风扇布置为通过鳍部之间的空间驱动空气。

Description

空气冷却的二氧化碳激光器
技术领域
本发明一般涉及通过射频(RF)放电通电的二氧化碳(CO2)激光器。本发明特别涉及这种激光器的冷却装置。
背景技术
CO2激光器用于几种精密激光加工操作中，特别是各种基板材料中的钻孔。在这种操作中，激光器以脉冲方式操作，激光器的输出光束由电流计反射镜驱动到要钻探孔的基板上的位置。
所有这样的激光器的问题在于，在激光器在静止时段之后接通的预热时间段内，本领域技术人员被称为“指向”的输出光束方向逐渐变化。这是由于激光器的温度升高、复杂的机电设计和激光器的构造。这种指向变化不利地影响电流计反射镜对光束的转向，有时甚至不能以所需精度执行钻孔。
只要激光器保持接通，激光温度并且因此光束指向在一定时间段(例如5分钟)后稳定，使得电流计导向可重现。然而，这个稳定期代表了钻孔操作中的生产周期。需要一种二氧化碳激光器的设计和构造，如果不能完全消除指向稳定期，则可以减少。
发明概述
在一个方面中，依照本发明的激光器设备包括细长的填充气体谐振器单元；和用于在所述谐振器单元中激励气体发细长的射频(RF)供电单元。谐振器和供电单元彼此间隔开对齐和平行。冷却单元包括分隔谐振器和供电单元的多个细长的鳍部。鳍部彼此间隔开和平行，并且在所述供电和谐振器单元的长度方向上延伸。多个风扇布置成在间隔开的鳍部之间驱动空气以冷却所述供电和谐振器单元。
附图简述
并入并构成说明书的一部分的附图示意性地示出了本发明的优选实施例，并且与以上给出的一般描述以及下面给出的优选实施例的详细描述一起用于解释本发明。
图1是依照本发明示意性描述CO2波导-激光器设备的一个优选实施方案的透视图，包括被细长的冷却单元间隔开的细长的谐振器单元和细长的供电单元，细长的冷却单元包括在谐振器和供电单元之间纵向延伸的多个间隔开的鳍部、和布置成将空气从冷却单元的中心驱动通过鳍部到端部的多个风扇。
图1A示意性描述图1的冷却单元的细节的纵向剖视图。
图1B示意性描述图1的冷却单元的进一步细节的纵向剖面等距视图。
图1C示意性描述图1的谐振器和供电单元的细节和冷却单元的进一步更多细节的横截面等横视图。
图2是依照本发明示意性描述CO2波导-激光器设备的另一优选实施方案的纵向剖面等距视图，其类似于图1的实施方案，但其中风扇被设置成将空气通过冷却单元的鳍部从冷却单元的端部驱动到中心。
图3是依照本发明示意性描述CO2波导-激光器设备的又一优选实施方案的等距视图，其类似于图2的实施方案，但其中风扇被设置成将空气通过冷却单元鳍部从冷却单元的一端驱动到另一端。
发明详述
现在转向附图，其中类似的特征用相同的附图标记表示，图1、图1A、图1B和图1C依照本发明示意性描述CO2波导-激光器设备的优选实施方案20。图1描绘完整的激光。图1A、1B和1C描述图1中不可见的激光器的细节。
激光器10包括细长的谐振器单元22和用于激励谐振器单元的细长的RF供电单元24。谐振器和供电单元具有大致相同的长度和宽度，并且彼此平行对齐和被冷却单元26间隔开，冷却单元26包括多个鳍部28，在激光器的宽度方向上彼此间隔开并且彼此平行，并在谐振器和供电单元之间纵向延伸。冷却单元的相对侧上的多个风扇30(参见图1A和1B)被布置成将空气吸入冷却单元中，并通过空部28之间的空间29驱动空气，以在其两端离开冷却单元。
谐振器单元22是具有端板32的密封外壳，其容纳谐振器反射镜34，其中只有两个在附图中可见。谐振器单元22优选是折叠谐振器，其中两个镜端接谐振器和其它(未示出)，用于折叠谐振器轴。这里指出，为了理解本发明的原理，仅描述和描绘了谐振器单元22的谐振器单元的充分细节。CO2波导-激光器的细节是本领域熟知的。多种折叠构型的折叠谐振器CO2波导-激光器的详细描述在转让给本发明的受让人的美国专利No.6,788,722中提供，并且其全部公开内容通过引用并入本文。
特别参见图1A和1B，在激光器20的布置中，鳍部28具有不同的长度，在中心最长，朝向边缘逐渐变短。鳍部被安排为在风扇30之间离开通风空间31(参见图1A)以接收来自风扇的空气输入。在通风空间31内是在冷却单元的长度方向和宽度方向上间隔开的多个挡风板或“迷你鳍部”27。
在没有挡风板27的情况下，通风空间不会被流动空气和鳍部28占据的空间一样有效地冷却。选择挡风板的集体长度，以提高在通风空间中提高冷却效率并阻碍进入通风空间的空气的合理折中。所有鳍部和挡风板之间留有空间，以容纳用于在供电单元24和谐振器单元22之间进行电气(RF)连接的密封电源通道36。
图1C示意性描述本发明激光器20的优选构造布置。此处，冷部单元26的鳍部和挡风板、外壳45、基底46和壁47、谐振器单元22、以及供电单元24的基底38和壁39由单个铝挤压件形成。盖板40和端板49(图1C中只有一个可见)完成用于供电单元的外壳43。端板32用于谐振器单元的完整密封外壳45。如图1A和1B所示的冷却单元26中的通风空间和挡风板通过机加工成挤出件的侧面。应用于谐振器和供电单元的术语“基底”表示单元的组件安装表面，并且独立于单元的物理取向。
在谐振器单元的外壳45内是陶瓷板48，在其中加工有波导凹槽50的表面。板48夹在谐振器单元的基底46和与馈通36电连接的电极板52之间。陶瓷板48的凹槽侧与基底46接触。通过施加到电极板52的RF功率，在凹槽50中产生气体放电，以激励激光器-谐振器。
虽然整个外壳46填充有***体，但是仅在凹槽50中产生放电，因为这种布置规定仅在凹槽中是足以触发并保持放电的电场。在其他地方，外壳仅提供气体储存器。由于凹槽50中的放电而产生热量。将陶瓷板52的凹槽侧放置与基底46接触，优化了从排出口向基底46的一侧与冷却单元30接触的优点。
继续参考图1C，在供电单元24中，实际电源组装在支撑在供电单元的基底38上的印刷电路板42上。基底38中的孔44提供电源和谐振器单元22的馈电通道36之间的电导体(未示出)。从电气部件的电阻抗(未示出)在RF电源中产生热量。电源放置在供电单元的基底38上，以优化电源与冷却单元26之间的热传导。
在谐振器单元22和电源24之间的共同冷却单元26的中心放置的特别优点使得激光器20的纵向弯曲的任何趋势(具有相应的光束指向的变化)最小化，如果不完全消除供电单元和谐振器单元之间的差异膨胀。通过用如上所述的相同材料(例如铝)构成所有组分，任何这样的趋势被进一步最小化。另外，冷却单元26的细长的鳍部构造提供高度的纵向刚度，其本身抵抗由于残余差异膨胀而可能存在的最小弯曲倾向。
图1和图1A中所示的激光器代表具有由输出功率为350W的RF电源驱动的35瓦(W)输出的CO2波导激光器。激光器具有约30厘米(cm)的长度和约9厘米的宽度。穿过冷却单元的宽度有二十七个鳍部28。鳍部具有约25毫米(mm)的高度、约1.7mm的宽度，并且横向间隔为1.7mm。
特别参考图1C，选择供电单元24的基底38的厚度T1和谐振器单元22的厚度T2，使得本发明的激光器是热机械中性的。术语“热机械中性”意味着如果不完全消除本发明的激光器的任何纵向弯曲的趋势，则最小化。在上述示例中，当厚度T1约为6mm并且厚度T2约为12mm时，可以实现该条件。通常，厚度T1通常小于厚度T2，这反映了电源产生的热量比激光器谐振器的气体放电产生的热量更多。
这里强调的是这些上述尺寸仅仅是示例性的。根据本文提供的描述，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下为相同或不同的激光器功率和谐振器配置选择其它尺寸。这种结构的热和机械性能可以使用机械设计软件进行研究，例如得自Dassault Systèmes Inc.of Waltham,Massachusetts的SOLIDWORKS。
这里应当注意，虽然本发明在上面被描述为结合折叠式谐振器型导波二氧化碳激光器，其操作模式通过多个波导凹槽在两个相互垂直的横向引导，但是本发明的原理同样适用于包括仅在一个横向上引导模式的单个宽波导凹槽的谐振器。在这种激光器中，将选择不稳定的谐振器以在垂直于波导方向的平面中以锯齿形路径引导模式。这种激光器通常由本领域的技术人员称为板式CO2激光器。一种这样的激光器在转让给本发明的受让人的美国专利No.8,731,015中有详细描述，其全部内容通过引用并入本文。
图2是依照本发明示意性描述CO2波导-激光器设备20A的另一优选实施方案的纵向剖面等距视图。激光器20A类似于图1和图1A-C的激光器20，除了风扇30被布置成从冷却单元的端部驱动空气通过冷却单元鳍部以在中心侧向退出。
图3是依照本发明示意性描述CO2波导-激光器设备的又一优选实施方案20B的等距视图。激光器20B类似于图2的激光器20，但其中风扇30被布置成驱动空气通过冷却单元鳍部从冷却单元的一端驱动到另一端。这种布置具有在冷却单元26中不需要加工操作来形成通风空间的优点。然而，这是以较长的纵向温度梯度为代价的。
综上所述，根据优选和其他实施方案描述的本发明。然而，本发明并不限于这里描述和描述的实施例，而是本发明仅由所附权利要求限制。

Claims (17)

1.激光器设备，包括：
细长的填充气体的谐振器单元；
用于在所述谐振器单元中激励气体的细长的射频(RF)供电单元，所述谐振器和供电单元对齐、间隔开并且彼此平行；
细长的冷却单元包括分隔所述供电和谐振器单元的多个细长的鳍部，所述鳍部彼此间隔开和平行，并且在所述供电和谐振器单元的长度方向上延伸，所述鳍部的相对端分别与所述谐振器单元和所述供电单元直接热接触；和
至少一个风扇，布置成在间隔开的鳍部之间驱动空气以冷却所述供电和谐振器单元。
2.权利要求1所述的设备，其中所述谐振器单元中的气体是包括二氧化碳的气体混合物。
3.权利要求1所述的设备，其中所述风扇被布置为使得空气在所述冷却单元中心附近被吸入所述冷却单元中，并从所述冷却单元的相对端排出。
4.权利要求3所述的设备，还包括和所述风扇对齐的通风区域，所述通风区域位于所述鳍部的位置，所述通风区域包括挡风板以引导空气流入所述鳍部之间的空间。
5.权利要求1所述的设备，其中所述风扇被布置为使得空气在所述冷却单元相对端被吸入所述冷却单元，并从所述冷却单元的中心排出。
6.权利要求1所述的设备，其中所述风扇被布置为使得空气在所述冷却单元的一端被吸入所述冷却单元，并从所述冷却单元的相对端排出所述冷却单元。
7.权利要求1所述的设备，其中所述供电单元包括装配在印刷电路板(PCB)上的RF电源，并且所述谐振器单元包括在其表面中具有至少一个波导-凹槽的陶瓷板，用于引导所述激光器的激光模式，并且其中所述PCB和所述陶瓷板与所述冷却单元热交流。
8.权利要求7所述的设备，其中所述陶瓷板的波导-凹槽的表面面向所述冷却单元。
9.激光器设备，包括：
细长的填充气体的谐振器单元；
用于在所述谐振器单元中激励气体的细长的射频(RF)供电单元，所述谐振器和供电单元对齐、间隔开并且彼此平行；
细长的冷却单元包括分隔所述供电和谐振器单元的多个细长的鳍部，所述鳍部彼此间隔开和平行，并且在所述供电和谐振器单元的长度方向上延伸；和
至少一个风扇，布置成在间隔开的鳍部之间驱动空气以冷却所述供电和谐振器单元，所述谐振器和供电单元均具有和所述冷却单元热交流的基底，其中RF电源安装在所述供电单元的基底上并且谐振器配件安装在谐振器单元的基底上，所述供电单元的基底具有第一厚度，并且所述谐振器单元的基底具有第二厚度，和其中所述第一和第二厚度被选择为使得激光器设备是热机械中性的。
10.权利要求9所述的设备，其中所述第一厚度小于所述第二厚度。
11.权利要求9所述的设备，其中所述谐振器单元中的气体是包括二氧化碳的气体混合物。
12.权利要求9所述的设备，其中所述风扇被布置为使得空气在其中心附近被吸入所述冷却单元中，并从所述冷却单元的相对端排出。
13.权利要求9所述的设备，其中所述风扇被布置为使得空气在所述冷却单元相对端被吸入所述冷却单元，并从所述冷却单元的中心排出。
14.权利要求9所述的设备，其中所述风扇被布置为使得空气在所述冷却单元的一端被吸入所述冷却单元，并从所述冷却单元的相对端排出所述冷却单元。
15.权利要求9所述的设备，其中所述RF电源装配在印刷电路板(PCB)上，并且所述谐振器单元包括在其表面中具有至少一个波导-凹槽的陶瓷板，用于引导所述激光器的激光模式，并且其中所述PCB和所述陶瓷板分别与所述谐振器单元的基底和所述供电单元的基底热交流。
16.权利要求15所述的设备，其中所述陶瓷板的波导-凹槽的表面面向所述冷却单元。
17.激光器设备，包括：
由单块铝形成的细长的外壳，所述外壳包括保持电极和***体的下室，所述下室通过激光镜在相对端被终止，所述外壳还包括保持用于激励电极的电源的上室，所述外壳还包括多个间隔开的加工的鳍部，所述鳍部在所述外壳的相对端之间延伸并且位于所述上室和下室之间并直接连接；
一对相对的通风区域，位于所述外壳的长度的中间和延伸到所述鳍部的区域的外壳的侧边缘上，所述通风区域包括用于引导空气流动到所述鳍部之间的挡风板；和
至少一个风扇，和所述通风区域对齐，用于驱动空气进入所述鳍部之间的空间并从所述外壳相对端出来。
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