专利名称：千瓦级横流二氧化碳激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光工作物质为二氧化碳(CO2)的输出功率千瓦级的横流二氧化碳激光器。适用于激光加工和热处理。特别适用于发动机缸体、缸套的激光淬火。
已有技术1．中国科学院上海光学精密机械研究所陈可心等人研制的“密封长寿命千瓦级横流CO2激光器”。(公开于《中国激光》1986年第10卷第8期470～486)，激光器由激光器主体和直流高压电源两部分组成。激光器主体由低速轴流风机、热交换器、放电盒、弯管、光腔和底座构成。
2．中国科学院上海光学精密机械研究所程兆谷等人研制的“长寿命密封运转工业用5kW横流CO2激光器”(公开于《中国激光》1990,12，第17卷增刊“激光器件专集”)。激光器的整机呈立式，有两台两级8000转/分的高速风机并联运行、具有双放电通道。放电室采用脉冲予电离针一条电极结构。
上述两种激光器的主体与电源是分立的，整机结构比较松散、体积较庞大、调试和维修不方便、操作起来较复杂。
本实用新型的目的为克服已有技术中存在的不足之处，提出一种激光器的主体和电源一体化，结构比较紧凑，调试和维修方便，操作简单的激光工作物质为CO2的输出功率千瓦级的横流CO2激光器。
本实用新型的横流CO2激光器包括由上箱壳15构成的上箱体1和由下箱壳14构成的下箱体12构成一体化的整机箱体。
所说的激光器主体包括放电室7，热交换器3、风机系统4、进口导流器5、出口导流器2以及光学谐振腔6。其中，前五大组件构成了工作气体的循环通道，置于密封的上箱体1内。放电室7具有一体化结构，作为主放电的电极——阴极管和阳极板列阵与作为预放电的梳状预放电针及导流玻璃安置于放电室7框架的相应调节机构上。因此，阴极管、阳极板列阵、梳状预放电针三者的相对位置可经调节机构一次统调到位。
置于上箱体1内的风机系统4包括离心式风机和水冷式电动机。离心式风机为带有增强叶轮强度的端面法兰的双进风圆叶轮离心式风机。
置于上箱体1内的热交换器3是采用热传导性能好的紫铜材料制成的复合管翅式的热交换器。
置于上箱体1内的进口导流器5是由多片导流片构成呈口琴格子形的整流结构，以保证进入放电室7内的气体流量均匀，放电区能够获得均匀的流场，从而保证放电的均匀性。出口导流器2内含有能够起分流作用的多片导流片。
本实用新型激光器的光学谐振腔6是内腔式的，其全反镜腔头和输出耦合镜腔头分别通过波纹管与上箱体1联接，并固定在单梁光桥的两端，构成光腔，两腔头及光桥具有各自的调整及锁紧机构。
置于下箱体12内有激光电源10，对放电室7内进行充放气的充放气系统8，真空泵9，用于主放电的具有浸油水冷却的镇流电阻箱11和控制盒13。
本实用新型的优点1．本实用新型的激光器主体和激光电源同置于一箱体内，实现激光器整机一体化、结构紧凑、便于安装调试和维修、操作方便。
2．本实用新型的放电室7内的阴一阳极和预放电针均固定于具有调节机构的同一个放电室内的框架上，构成了一体化的放电室。与已有技术相比，调试和维修均较方便。
3．因为进口导流器5的内部结构含有多片导流片构成口琴格子形的结构，才能在放电室7内获得均匀的流场，从而保证了放电的均匀性。出口导流器2含有分流气体的导流片，促使进入热交换器3内的气流均匀，提高了热交换器3的转换效率，也就提高了激光器的工作效率(包括光电转换效率和量子效率)。
4．由于放电室7，热交换器3，进口导流器5，出口导流器2和风机系统4均置于上箱体1之内，随之带来上述组件的结构和外形均不同于已有技术。如风机系统4是由鼠笼形状双进风圆叶轮离心式风机和带水冷的电动机构成，比已有技术中所用的轴流风机(或正切风机)及一般的离心式风机压头高，流量大，而且体积小，因此能够使整机的体积小型化。
图1为本实用新型激光器整机的结构示意图图1-1为激光器内部结构侧视示意图图1-2为激光器外部结构正视示意图图2为本实用新型激光器在实施例中获得具有代表性的放电伏安V-I特性曲线，激光功率N，电光转换效率η与工作电压V，工作电流I及工作气压P的关系曲线。
实施例如图1所示的结构，制成HJ-1000型CO2激光器，用于汽车发动机的缸体和缸套的激光淬火上，获得了良好的效果。
对照附图和上述静态描述的结构特征，再进一步，用动态描述本实用新型的结构。由置于下箱体12的控制盒13控制，首先启动真空泵9排出放电室7内的空气，通过充放气系统8充入激光器的工作气体CO2，启动激光电源10，放电室7内阴-阳极之间开始均匀地放电，放电区域内光学谐振腔6起作用产生激光振荡，在构成光学谐振腔6的输出耦合镜端有激光束输出。放电后，放电室7内的CO2气体通过含有能够起分流作用的多片导流片的出口导流器2，使CO2气体均匀地进入热交换器3，在热交换器3内使CO2气体充分地冷却，热交换器3的热量由风机系统4排出箱体外。经过冷却后的CO2气体再由进口导流器5重新进入放电室7供再次放电使用。依此类推循环上述过程。正如上述的进口导流器5是由多片导流片构成的呈口琴格子形的结构，使进入放电室7内的气体流量均匀，放电区内能够获得均匀的流场，从而保证放电的均匀性。所以获得下述良好的工作参数。
激光器的主要性能指标是最大输出功率为1000瓦(多模)；额定输出功率为800瓦；功率不稳定度≤±2％；密封连续工作寿命≥8小时/每一次充气；运转噪声≤72dB。
所测得激光器的特性如图2中的曲线所显示。
1．从图2中的伏安V-I特性曲线看出，工作电压V随工作电流的增加变化不大，且显略有下降的趋势，表明工作气体的放电正处在对放电所期望的正常辉光放电区。同时，显示出工作电压V随工作气压P的上升而上升的正常规律。
2．从激光功率N与工作电流I及气压P的关系曲线表明在正常辉光放电条件下，激光功率N随着工作电流I的增加，呈线性增加趋势，尤其当工作气压P低于80乇时，激光功率N＞1kW，仍未出现功率“饱和”现象，这表明了该激光器的激光输出能力超过了设计能力(1kW)。同时看出当激光器处于“最佳”的工作气压范围P=50～70乇时，激光功率N是随工作气压P(气体密度)增加而上升。
3．由电光转换效率η(％)曲线表明当激光器的工作气压P选择为50～70乇时，激光器的光电转换效率η(％)一直处于上升趋势，而且激光器的功率“贮备”比较多，激光输出稳定性比较好。
权利要求1．一种千瓦级横流二氧化碳激光器，包含有由放电室(7)、热交换器(3)、风机系统(4)、进口导流器(5)和出口导流器(2)的五大组件构成的工作气体循环通道和光学谐振腔(6)所构成的激光器主体以及激光电源(10)，其特征在于具体结构是①激光器包括由上箱壳(15)构成的上箱体(1)和由下箱壳(14)构成的下箱体(12)构成一体化的整机箱体；②在上箱体(1)内置有由放电室(7)，热交换器(3)，风机系统(4)和进出口导流器(5)、(2)五大组件构成的工作气体循环通道，在下箱体(12)内置有激光电源(10)，充放气系统(8)，真空泵(9)，镇流电阻箱(11)和控制盒(13)；③置于上箱体(1)内的放电室(7)含有的主放电阴极管-阳极板列阵和予放电的梳状予放电针以及导流玻璃是置于放电室的带有调节机构的框架上，构成了一体化的放电室；④置于上箱体(1)内的风机系统(4)包括离心式风机和水冷式电动机；⑤置于上箱体(1)内的进口导流器(5)是由多片导流片构成呈口琴格子形的整流结构，出口导流器(2)含有能够起分流作用的多片导流片。
2．根据权利要求1的一种二氧化碳激光器，其特征在于热交换器(3)是紫铜材料制成的复合管翅式的。
3．根据权利要求1的一种二氧化碳激光器，其特征在于风机系统(4)中的离心式风机是带有增强叶轮强度的端面法兰的双进风圆叶轮离心式风机。
4．根据权利要求1的一种二氧化碳激光器，其特征在于激光器的光学谐振腔(6)是内腔式的，其全反镜腔头和输出耦合镜腔头分别通过波纹管与上箱体(1)联接，并固定于单梁光桥两端，构成光腔，两腔头及光桥具有各自的调整与锁紧机构。
专利摘要一种千瓦级横流二氧化碳激光器,用于激光加工和热处理。激光器的整机呈一体化的箱体。箱体的上箱体中置有一体化的放电室、热交换器、风机系统、进出口导流器以及光学谐振腔,箱体的下箱体中置有激光电源、充放气系统、真空泵、镇流电阻箱和控制盒。与已有技术相比具有结构紧凑、安装调试和维修方便、激光器的工作效率高,整机的体积可以小型化的特点。
文档编号H01S3/04GK2333103SQ97241788
公开日1999年8月11日 申请日期1997年9月26日 优先权日1997年9月26日
发明者沈俊泉, 陆培华, 归振兴, 奚全新, 沈华勤, 高惠学, 郭世海 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所