一种新型二氧化碳射频金属激光器的制作方法

本实用新型涉及激光器的技术领域，特别涉及一种新型二氧化碳射频金属激光器。

背景技术：

二氧化碳射频金属激光器，是近年来工业激光市场上发展最为迅速的技术之一，被认为是玻璃管封离二氧化碳激光器的最佳替代品。

它采用全金属化结构，具有体积小、全封闭、装置紧凑、封离运转、免维护、成本低、调制特性优良、输出光束质量高(比玻璃管精细3倍多)、注入功率密度高、工作电压低、输出功率方便可调、功率稳定性优异、运行可靠性高等特点，更为重要的是，二氧化碳射频金属激光器还具有使用寿命长(一般在20000小时以上)、维修成本低、充气后还可重复使用，且无需更换等优势；在各类商用激光器中，二氧化碳射频金属激光器的每瓦输出成本最低，插头效率较高，在10％-12％之间，其应用包括柔性材料、非金属固性材料和的高速切割、雕刻、焊接等。这些优势，使得二氧化碳射频金属激光器，非常适合工业化连续作业生产。

但是，现有技术中，二氧化碳射频激光器电极在电极进行精加工安装以后，电极之间的距离无法调整，当电极需要优化调整时，则需要重新拆装激光器腔体，修改相关器件的尺寸参数，由于激光器腔体为真空腔体，属于精密部件，上述调整方式需要专业器械和人员，使得在调整的过程中可能存在影响激光器腔体的相关参数的问题；再者，现有技术中，二氧化碳激光器光路系统还存在光束旁瓣、加工精度不高的问题。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种加工精度高、无光束旁瓣的新型二氧化碳射频金属激光器，以克服当电极需要优化调整时，需要重新拆装激光器腔体，修改相关器件的尺寸参数，由于激光器腔体为真空腔体，属于精密部件，上述调整方式需要专业器械和人员，使得在调整的过程中可能存在影响激光器腔体的相关参数的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：

一种新型二氧化碳射频金属激光器，包括激光器腔体、整形腔体，激光器腔体内设置有上电极、下电极、放电区左侧挡板、放电区右侧挡板；

上电极位于激光器腔体内的上凹槽中，下电极位于激光器腔体内的下凹槽中，上电极和下电极沿激光器腔体的纵向平行放置；放电区左侧挡板、放电区右侧挡板与激光器腔体为一体结构，整体挤压成型，上电极、下电极通过顶丝固定于激光器腔体内；

上电极、下电极、放电区左侧挡板、放电区右侧挡板的竖直截面呈T字形；

上电极、下电极和放电区左侧挡板、放电区右侧挡板之间用定位球固定绝缘，定位球材质为氧化铝陶瓷，直径为2mm；上电极、下电极、放电区左侧挡板、放电区右侧形成长方形射频放电通道。

作为进一步的技术方案，激光器腔体整体呈长方体；上电极、下电极、放电区左侧挡板、放电区右侧挡板组成的区域形成密闭的储气室，储气室内为CO₂、N₂、He和Xe的混合气体，并控制混合气体的最佳总气压在10～12kPa之间，最佳气体混合比为CO₂：N₂：He：Xe＝16:16:63:5。

作为进一步的技术方案，上电极、下电极通过上电极、下电极上设置的顶丝进行高度的调整。

作为进一步的技术方案，整形腔体包括平面反射镜、球面聚焦镜、空间滤波器、柱面镜以及球面准直镜构成；

激光器腔体内的上电极、下电极产生的激光束依次通过其内设置的谐振腔输出镜、窗口镜进入整形腔体，激光束进入整形腔体依次通过平面反射镜、球面聚焦镜、空间滤波器、柱面镜以及球面准直镜进行整形。

作为进一步的技术方案，上电极、下电极沿长度方向侧端的对应位置均匀设置有多个电感定位孔，上电极、下电极之间通过每组对应设置的电感定位孔内设置的匹配电感连接；上电极的顶丝和上电极的电感定位孔之间、下电极的顶丝和下电极的电感定位孔之间均开有通槽。

作为进一步的技术方案，激光器腔体上方设置有风扇，风扇通过激光器腔体上的多个螺孔用螺丝固定连接。

作为进一步的技术方案，激光器腔体的左右两个外侧壁上均设置有散热翼片；散热翼片与激光器腔体为一体结构，整体挤压成型。

作为进一步的技术方案，激光器腔体、上电极、下电极、放电区左侧挡板、放电区右侧挡板材质为铝合金，均为挤压拉制而成。

作为进一步的技术方案，激光器腔体上方设置有一台阶，台阶上设置有电路安装槽，电路安装槽内部装有控制电路板、射频电源板和电极。

采用上述技术方案，由于上电极位于激光器腔体内的上凹槽中，下电极位于激光器腔体内的下凹槽中，上电极、下电极通过顶丝固定于激光器腔体内；上电极、下电极与激光器腔体为分体结构，位置可调，放电区左侧挡板、放电区右侧挡板与激光器腔体为一体结构，使得整体结构简单紧凑，上电极、下电极之间的距离便于专业操作人员进行调整。

上电极、下电极和放电区左侧挡板、放电区右侧挡板之间用定位球固定绝缘，上电极、下电极、放电区左侧挡板、放电区右侧形成长方形射频放电通道，保证了在射频放电时，电极与侧挡板之间互不干扰。

此外，上电极和下电极间距可以通过顶丝调节。上电极顶丝和上电极电感定位孔之间、下电极顶丝和下电极电感定位孔之间均开有通槽。该电极结构不仅方便激光器腔体和上电极、下电极的安装，而且实现了上电极、下电极之间距离的微调。

本实用新型的激光产生后进入上部的整形腔体，光束依次通过平面反射镜、球面聚焦镜、空间滤波器、柱面镜以及球面准直镜，可满足整形后的光束在7000毫米距离两个方向上的束宽基本一致，光束半宽差值在0.15毫米内。完全可以认为整形后的光束在7000毫米的范围内是准直光束，保证可以满足绝大多数激光加工系统的需要。

附图说明

图1为本实用新型一种新型二氧化碳射频金属激光器的系统结构示意图；

图2为本实用新型一种新型二氧化碳射频金属激光器的激光器腔体结构示意图；

图中，1-激光器腔体，2-整形腔体，3-上电极，4-下电极，5-放电区左侧挡板，6-放电区右侧挡板，7-顶丝，8-定位球，9-储气室，10-电感定位孔，11-匹配电感，12-散热翼片，13-谐振腔输出镜，14-窗口镜，15-电路安装槽，16-平面反射镜，17-球面聚焦镜，18-空间滤波器，19-柱面镜，20-球面准直镜。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1至图2所示，本实用新型的一种新型二氧化碳射频金属激光器，包括激光器腔体1、整形腔体2，激光器腔体1为左右对称结构，内设置有上电极3、下电极4、放电区左侧挡板5、放电区右侧挡板6。

上电极3位于激光器腔体1内的上凹槽中，下电极4位于激光器腔体1内的下凹槽中，上电极3和下电极4沿激光器腔体的纵向平行放置；放电区左侧挡板5、放电区右侧挡板6与激光器腔体1为一体结构，整体挤压成型，上电极3、下电极4通过顶丝7固定于激光器腔体1内；上电极3、下电极4通过上电极3、下电极4上设置的顶丝7进行高度的调整。

上电极3、下电极4和放电区左侧挡板5、放电区右侧挡板6之间用定位球8固定绝缘，定位球8材质优选为氧化铝陶瓷，直径为2mm；上电极3、下电极4、放电区左侧挡板5、放电区右侧形成长方形射频放电通道；由巴型定律可知上电极3与放电区左侧挡板5、上电极3与放电区右侧挡板6、下电极4与放电区左侧挡板5、下电极4与放电区右侧挡板6之间没有放电发生，可有效将气体放电的区间限制在规定的上电极3和下电极4之间。

激光器腔体1整体呈长方体；上电极3、下电极4、放电区左侧挡板5、放电区右侧挡板6的竖直截面呈T字形，其组成的区域形成密闭的储气室9，储气室9内为能放电发出激光的气体，本实用新型的储气室9内的气体为CO₂、N₂、He和Xe的混合气体，并控制混合气体的最佳总气压在10～12kPa之间，控制最佳气体混合比为CO₂：N₂：He：Xe＝16:16:63:5。

整形腔体2包括平面反射镜16、球面聚焦镜17、空间滤波器18、柱面镜19以及球面准直镜20构成；激光器腔体1内的上电极3、下电极4产生的激光束依次通过其内设置的谐振腔输出镜13、窗口镜14进入整形腔体2，激光束进入整形腔体2依次通过平面反射镜16、球面聚焦镜17、空间滤波器18、柱面镜19以及球面准直镜20进行整形。

窗口镜14选用金刚石窗口制成，金刚石窗口镜14的导热性好，导热性好意味着得到更高的输出功率的同时具有更小的热效应；平面反射镜16为一个转折镜，它的主要作用是改变光束的传输方向，球面聚焦镜17表示一个球面镜，用于对输出光束的非稳方向进行聚焦，而球面镜的作用就是对未整形光束非稳方向进行聚焦，在球面镜焦平面处得到聚焦光束的远场分布，实现光束低频与高频部分在焦平面上分离，便于后续旁瓣的消除；空间滤波器18消除了输出光束中的旁瓣，改善了输出光束非稳方向的光束质量；柱面镜19用于控制输出光束非稳方向的发散角，控制输出光束两个方向的束宽；通过调整球面准直镜20的曲率半径与放置位置，可以对整形光束的束腰位置进行调整。

上电极3、下电极4沿长度方向侧端的对应位置均匀设置有多个电感定位孔10，上电极3、下电极4之间通过每组对应设置的电感定位孔10内设置的匹配电感11连接；本实用新型的上电极3和下电极4之间并联两个谐振电感，形成LC高Q的谐振电路与射频电源振荡频率匹配，保证射频电压放电通道的均匀分布，实现了射频功率的最大转换效率；上电极3的顶丝7和上电极3的电感定位孔10之间、下电极4的顶丝7和下电极4的电感定位孔10之间均开有通槽，该电极结构不仅方便激光器腔体1和上电极3、下电极4的安装，而且实现了上电极3、下电极4之间距离的微调。

激光器腔体1上方设置有风扇，风扇通过激光器腔体1上的多个螺孔用螺丝固定连接；采用设置于激光器腔体1的外部的风扇对激光器腔体1进行散热，使得激光器腔体1的体积较小，且用风冷替换了水冷，克服了水冷时一直存在的水箱漏水、冷却水流性差导致散热不足等致命故障，提高了系统的可靠性。

激光器腔体1的左右两个外侧壁上均设置有散热翼片12；散热翼片12与激光器腔体1为一体结构，整体挤压成型，实现了良好的热扩散效应；激光器腔体1、上电极3、下电极4、放电区左侧挡板5、放电区右侧挡板6材质为铝合金，均为挤压拉制而成。

激光器腔体1上方设置有一台阶，台阶上设置有电路安装槽15，电路安装槽15内部装有控制电路板、射频电源板和电极；台阶的设计使得电路安装槽15部与激光器腔体1脱离，保证了腔体的散热不影响电路的实际工作效果。

以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但本实用新型不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本实用新型的保护范围内。