专利名称：气体激光器的气冷阴极绝缘盒及其激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于气体流动型激光器，特别是二氧化碳激光器。
背景技术：
激光有多种用途，激光加工是其重要用途之一。激光加工是指利用激光进行切割、焊接、热处理、钻孔和打标等，其中激光切割占70％以上。激光切割，特别是多维精密激光切割，需要光束的质量好，即直径小、发散角小、功率轴对称分布的圆形激光束。现在国内外用于激光加工的二氧化碳激光器，主要是横流、轴流和近年出现的扩散冷却激光器，横流二氧化碳激光器的增益分布不是轴对称的，虽然采用多折腔可获得发散角小的激光束，但光束的功率分布不是完全轴对称。因此它主要用于热处理和焊接。玻璃管轴快流二氧化碳激光器的增益分布是轴对称的，光束的发散角小，功率分布也是轴对称的。因此它广泛应用于激光切割。但它需要罗兹系或涡轮风机，体积大、造价高。扩散冷却二氧化碳激光器。体积很小，光束不是圆形有一定的椭圆度，功率不是轴对称分布。
为了研发在核心技术上具有我国自主知识产权，主要用于切割的二氧化碳激光器，本人98年提出了旋流(Helical flow)激光器(中国发明专利98113603.6)，该激光器的腔内气体流动为三维螺旋形，其激光器的体积大大减小，提高了气体激光器的光斑均匀性和光束的质量，而制造费用反而减小了。该激光器体积小、造价低、可获得百瓦级到万瓦级的优质激光束。
2003年，本人在旋流(Helical flow)激光器方案的基础上又进一步改进了气体激光器的结构，提出转流(Rotation flow)激光器(中国发明专利2003125325.3)，该激光器的腔内气体流动为二维旋转，使激光器在体积大大减小的基础上，其内部的结构又得以简化，便于批量加工制造。
但是，圆形金属腔转流激光器(中国发明专利2003125325.3)虽然其有优质激光束，但依然有需要进一步改进的地方。1、其阴极的寿命小于10000小时，这是因为阴极是针状金属插在绝缘陶瓷板上，散热不好，阴极长期高温工作寿命较短；2、激光器整体体积还要减小，但由于其各段的气流旋向要相同，因而整体的体积还是较大，如果体积能够再紧凑些，激光器的用料还会减少，这对于产品的推广和应用有很大的益处。
发明内容
本实用新型的目的是进一步改进二维转流(Rotation flow)激光器的结构，提出一种改进的气体激光器的气冷阴极绝缘盒及其激光器，提高使用寿命，提高发光效率，进一步缩小体积，节省材料和加工费用。
本实用新型的技术方案是气体激光器的气冷阴极绝缘盒，其特征在于阴极片与金属散热体装在一起形成阴极单元，片头露在散热体外，散热体中有冷气流道，散热体装在绝缘盒内。
如上所述的气冷阴极绝缘盒，其特征在于绝缘盒的材料为陶瓷或微晶。
如上所述的气冷阴极绝缘盒，其特征在于绝缘盒中有数个小格，每个小格中装一个阴极单元。
圆形金属腔转流激光器，它有箱体、风机、热交换器、圆腔、电极、工作气流、反射镜、输出镜，激光器的整个圆腔分为若干段，各段的入口流道在圆腔的圆周上错位分布，圆腔的入口流道中心线不与腔轴相交，圆腔的出口流道中心线相对于入口流道中心线偏转一个角度，其特征在于激光器的阴极有多个气冷阴极绝缘盒，气冷阴极绝缘盒中的阴极片与金属散热体装在一起形成阴极单元，片头露在散热体外，散热体中有冷气流道，散热体装在绝缘盒内。
如上所述的圆形金属腔转流激光器，其特征在于绝缘盒的材料为陶瓷或微晶。
如上所述的圆形金属腔转流激光器，其特征在于绝缘盒中有数个小格，每个小格中装一个阴极单元。
如上所述的圆形金属腔转流激光器，其特征在于圆腔各段中的工作气流方向分别为顺时针和逆时针，风机出口位于箱体中间，圆腔各段入口流道的工作气流流向相同，圆腔中顺时针段的阴极单元位于顺时针段入口流道的右边，逆时针段的阴极单元位于逆时针段入口流道的左边。
如上所述的圆形金属腔转流激光器，其特征在于其特征在于圆腔入口流道的宽度小于圆腔的直径。
如上所述的圆形金属腔转流激光器，其特征在于所述风机的电动机外壳上装有水冷片，水冷片上装有水冷管。
本实用新型具有下列优点1、阴极单元的散热好，使用寿命长，提高了激光器的发光效率。现有的针状阴极散热不好，阴极长期高温寿命较短，不到10000小时；本实用新型的阴极为片状，又配有金属散热体(如铜，铝，或其合金等)，散热体中的流道通有冷却气体，其导热、散热性大大提高，使用寿命可达15000小时以上；工作气体的温度降低可以提高激光器的发光效率。
2、激光器整体更为紧凑，光束质量依然很好。采用风机的出口位于箱体的中间结构，并将激光腔的整个放电长度分为数段，一半的出口流道偏向左，另一半的出口流道偏向右，两部分的气流分别为顺时针和逆时针，使整个放电长度上腔内增益分布均匀，达到提高光束质量的目的；而圆腔各段入口流道的工作气流流向相同，圆腔中顺时针段的阴极单元位于顺时针段入口流道的右边，逆时针段的阴极单元位于逆时针段入口流道的左边，各段工作气流流速均匀，激光器整体结构更为紧凑。
图1，是本实用新型激光器实施例顺时针段(段1)的结构示意图。其中，圆腔1，阳极2，水冷流道3，阴极片4，冷气流道5，铜芯6，陶瓷盒7，热交换器8，导流器9，风机10，箱体11，入口流道12，出口流道13。箭头表示气流方向。
图2，是本实用新型激光器实施例逆时针段(段2)结构示意图。
图3，是本实用新型气冷阴极陶瓷盒实施例的结构示意图。
图4，是图3的左视图。
图5，是本实用新型激光器实施例的工作气流旋向图。其中，图5a是各段旋向相同，图5b是各段旋向不同；F1、F2气流方向。
图6、图7，是本实用新型激光器风机电动机水冷示意图。其中，螺钉孔14，铜管15，铜板16，电动机定子17，螺钉18，水19。
具体的实施方式参见图3，是本实用新型的气体激光器的气冷阴极绝缘盒实施例，它有阴极单元和绝缘盒，其特征在于阴极片4与金属散热体铜芯6装在一起形成阴极单元，片头露在铜芯6外，铜芯6中有冷气流道5，铜芯6装在陶瓷盒7内。
阴极片的材料有钨片，钼片，或它们的合金；散热体有铜，铝，或它们的合金；盒体有陶瓷、微晶等绝缘体；散热流体为气体。
在本实施例中，阴极片4为片状钨片，片体嵌在铜芯6中(也可以压在铜芯6的表面)，片头露在铜芯6外，铜芯6中有冷气流道5，铜芯6装在陶瓷盒7的小格槽内。阴极片4在激光器工作时放电产生热量，阴极钨片上的热量以片状的接触面传给铜芯6，然后大部分被冷气流道5中的冷气从铜芯6带走，只有少部分从阴极片4的片头散发进入圆腔。阴极片4嵌在铜芯6中，接触面比传统的针要大，传热要好很多，加上通入散热气体，阴极单元的散热状况大为改善，阴极的寿命可以从针状的小于10000小时提高到本实用新型的15000小时以上。本实用新型的气冷阴极绝缘盒适用于旋流的、横流的二氧化碳和一氧化碳激光器。
使用本实用新型的气冷阴极绝缘盒的圆形金属腔转流激光器实施例如图1、图2所示。
它有箱体11、风机10、热交换器8、圆腔1、阳极2、工作气流、反射镜、输出镜，激光器的整个圆腔分为两段，两段的入口流道在圆腔的圆周上错位分布，圆腔的入口流道中心线不与腔轴相交，圆腔的出口流道中心线相对于入口流道中心线偏转一个角度，其特征在于激光器的气冷阴极绝缘盒由阴极片4、铜芯6和陶瓷盒7构成，阴极片4为片状，片体嵌在铜芯6中，片头露在铜芯6外，铜芯6中有冷气流道5，铜芯6连接在陶瓷盒7上。
当圆腔1中的工作气流为图5a所示的旋向相同时(顺时针旋转)，段1的入口气流F1从下向上，再从上向下，段1的入口流道在上方；段2的入口气流F2从下向上，段2的入口流道在下方。入口气流F1比F2多两个90度的拐弯，影响了F1的流速，使增益不均匀，发光效率下降。
本实用新型实施例中的两段的旋向不同，见图5b(F1逆时针，F2顺时针)。段1的入口气流F1从下向上，段1的入口流道在下方；段2的入口气流F2也是从下向上，段2的入口流道也在下方；两段的工作气流的流向相同。F1、F2同在下方，其流速均等，增益均匀，发光效率提高；激光器的结构也比较紧凑，用料大为节省，有利于降低成本。
图中所有箭头表示气流方向。气流由风机10产生，经过导流器9进入圆腔1。载着因腔内放电产生的热量，通过热交换器8后回到风机10，进行循环流动，使腔内温度稳定。
为了提高激光器工作的稳定性，在风机电动机的外壳上安装水冷片16，水冷片上装有冷水管15，通入冷水进行冷却。其结构如图6和图7所示。
本实用新型实施例的圆形金属腔转流激光器，具有以下特征1、腔壁是金属，有利于腔内散热冷却。
2、腔体是圆形，有利于腔内增益圆形分布的均匀性。
3、采用圆腔入口流道的中心线不与腔轴相交，圆腔出口流道相对其入口流道偏转一定角度，使气流在腔内偏转一定角度，形成转流，以提高腔内增益圆周分布的均匀性。
4、采用风机的出口位于箱体的中间，并将整个放电长度分为两段，一段的出口流道偏向左，另一段的出口流道偏向右，两段的气流分别为顺时针和逆时针，提高整个放电长度上腔内增益分布的均匀性，达到提高光束质量的目的。
5、采用气冷阴极陶瓷盒，降低阴极工作温度，提高阴极寿命。同时降低因阴极发热而提高的腔内温升。每个陶瓷盒有数个相互绝缘的阴极单元，每个阴极单元由片状高熔金属电极和铜芯组成，每个铜芯具有冷气流道。
6、为了防止因风机电动机线圈发热导致增益介质的污染，不是采用电动机定子外壳上打孔或提高电动机容量，而是采用风机电动机外壳装水冷片，实现电机的良好散热。
上述六项创新技术适用于旋流二氧化碳和一氧化碳激光器。其中风机出口位于箱体中间，气冷阴极陶瓷盒和风机电动机水冷片等三项技术还适用于横流二氧化碳激光器。
本实用新型实施例的激光器，体积小、造价低、可获得百瓦级到万瓦级，主要用于切割和焊接的优质激光束。
权利要求1.气体激光器的气冷阴极绝缘盒，其特征在于阴极片与金属散热体装在一起形成阴极单元，片头露在散热体外，散热体中有冷气流道，散热体装在绝缘盒内。
2.如权利要求1所述的气冷阴极绝缘盒，其特征在于绝缘盒的材料为陶瓷或微晶。
3.如权利要求1所述的气冷阴极绝缘盒，其特征在于绝缘盒中有数个小格，每个小格中装一个阴极单元。
4.圆形金属腔转流激光器，它有箱体、风机、热交换器、圆腔、电极、工作气流、反射镜、输出镜，激光器的整个圆腔分为若干段，各段的入口流道在圆腔的圆周上错位分布，圆腔的入口流道中心线不与腔轴相交，圆腔的出口流道中心线相对于入口流道中心线偏转一个角度，其特征在于激光器的阴极有多个气冷阴极绝缘盒，气冷阴极绝缘盒中的阴极片与金属散热体装在一起形成阴极单元，片头露在散热体外，散热体中有冷气流道，散热体装在绝缘盒内。
5.如权利要求4所述的圆形金属腔转流激光器，其特征在于绝缘盒的材料为陶瓷或微晶。
6.如权利要求4所述的圆形金属腔转流激光器，其特征在于绝缘盒中有数个小格，每个小格中装一个阴极单元。
7.如权利要求4或5或6所述的圆形金属腔转流激光器，其特征在于圆腔各段中的工作气流方向分别为顺时针和逆时针，风机出口位于箱体中间，圆腔各段入口流道的工作气流流向相同，圆腔中顺时针段的阴极单元位于顺时针段入口流道的右边，逆时针段的阴极单元位于逆时针段入口流道的左边。
8.如权利要求4或5或6所述的圆形金属腔转流激光器，其特征在于圆腔入口流道的宽度小于圆腔的直径。
9.如权利要求4或5或6所述的圆形金属腔转流激光器，其特征在于所述风机的电动机外壳上装有水冷片，水冷片上装有水冷管。
专利摘要气体激光器的气冷阴极绝缘盒及其激光器，它有箱体、风机、热交换器、圆腔、电极、工作气流、反射镜、输出镜，激光器的整个圆腔分为若干段，各段的入口流道在圆腔的圆周上错位分布，圆腔的入口流道中心线不与腔轴相交，圆腔的出口流道中心线相对于入口流道中心线偏转一个角度，其特征在于激光器的阴极有多个气冷阴极绝缘盒，气冷阴极绝缘盒中的阴极片与金属散热体装在一起形成阴极单元，片头露在散热体外，散热体中有冷气流道，散热体装在绝缘盒内。气冷阴极寿命可达15000小时以上。
文档编号H01S3/22GK2894003SQ20062009579
公开日2007年4月25日 申请日期2006年3月24日 优先权日2006年3月24日
发明者李再光 申请人:李再光