专利名称：直管多层环布式co的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种达6万瓦级的强功率激光装置。
目前，国产高功率横流式CO2激光器为5kW，只能切割20mm左右的钢板；进口的高功率CO2激光器为9kW左右，可切割30mm左右的钢板，但连续工作时间都不超过5小时。在国际上，横流式高能CO2激光器最大激光功率为5万瓦左右。
本实用新型的目的在于设计一种直管多层环布式高能CO2激光器，其输出激光功率可达6万瓦级，它有别于横流式或纵向流动式的大功率CO2激光器，工作介质是静态的，工作时无噪声。
本实用新型的技术要点为一种由内环、外环、外环激光器直管，内环激光器直管、多层环布式反射聚束组光学系统、带有虚高压特性的直流高压电源及聚束控制机构构成的直管多层环布式CO2激光器。其特征如下a、直管多层环布式激光器可以是单环或多环结构。多环结构则有外环及若干个内环，每一环内可以有多根CO2激光器直管3、4。在图1中画出了内环1与外环2上激光管的分布示意图。每根直管为4.4m长的CO2激光器。本装置的内环与外环各均匀环布120根直管，内环管4与外环管3均匀错开一个相同的角度，使在反射聚束时，不阻挡外环光路，使240束反射激光束都位于同一光学锥面，射向中心轴上的反射聚束镜B上。
在最佳工作状态下，单管激光功率为P1＝260W，这个功率对激光管透射镜是比较安全的，可以长时间安全工作。240束激光束的总体功率水平为P2＝240×260＝62400W，即总体激光功率水平超过6万瓦。各个单管的放电通道的气路都是相通的，都处于同一气压，各个激光管的水冷却系统都并列连通，使各管的物理及电气特性完全一致。
b、内环1一次反射镜A1共120片，外环2一次反射镜A2共120片，在本装置中轴线Z上装有马达M，并跟丝杆D相连，丝杠D的另一端与非球面反射聚束镜B连接组成直管多层环布式高能CO2激光器反射聚束组光学系统。每片反射镜A对应一根激光管。内环1与外环2在Z轴方向上错开一个距离，内环1的直管4与外环2的直管3在角度上有一相同的角度错位，在结构上作到使内环不阻挡外环光路，并使内、外环的反射光路都处于同一锥面上射向中心轴上的B镜。B镜为一按数学模型加工而成的非球面反射聚束镜。当B镜的位置在中轴线上进行手动或自动微调时，则可改变光束的形态-发散、平行或者是聚焦，以满足不同的加工要求，如切割、淬火或焊接。C镜用于加工时改变光路。如果采用4层环布结构，每层120根8米直管，应用脉冲供电工作方式，则这种长直管多层环布式强功率CO2激光器可输出1兆瓦的激光脉冲，则该激光器可用来作为激光武器运行。在这种情况下，C镜可以取消。
为了保证激光器的连续可靠运行，所有光学镜片都必须通水冷却。对于B镜、外环2及内环3的240束反射激光束不是落在一点，而是离开中心呈环状分布，而B镜是用特殊金属材料加工而成，其反射损耗仅为1％，能保证B镜长时间安全工作。
环布式激光器的输出功率为6万瓦级，由于电源的传输效率及电-光转换效率、整个激光系统设计为600kW的功率输入。
考虑到元部件的耐压程度，每根4.4m单管分为两段分别供电，为此，共需480个相对独立的非线性直流高压电源对多层环布式激光器供电。
c、本装置的直流高压电源由三相高压变压器6，高压硅堆组成的三相全波整流桥7，及在整流桥7两端连有滤波电容C1，虚高压发生器8，镇流电阻9组成。三相变压器6可以是一只，也可以是很多只并列运行。有多少个放电通道就需要多少个由隔离硅堆与电容组成的虚高压发生器8相对应。本实用新型共有480个虚高压发生器8和480只镇流电阻9。在激光器放电通道起辉前，在放电通道上产生2倍于滤波电容C1上的瞬时高压，一旦起辉后，虚高压自动消失，完成了对激光器非线性负载的自动跟踪。对于激光管放电通道而言，起辉电压Vh≥28kV，稳定工作电压V1＝15-16kV。这样，每个放电通道的镇流电阻值大大减少而成为分流均衡电阻，从而提高了电源传输效率，减少了高压变压器的容量。
本实用新型的优点是该直管多层环布式CO2激光器不但保留了直管CO2激光器原有的特点，如电-光转换效率高，工作时无噪声，不产生有毒气体，连续工作时间长，可操作性好等优点，还克服了单一激光透镜在通过强功率激光束时产生的自损破坏，提高了激光器的运行寿命，并能实现激光功率的分段可调，可以切割50mm左右的任何钢板及钛合金板。这在造船工业中具有广泛的用途。
图1、为直管双层环布式CO2激光器的横断面示意图1、内环2、外环3、外环激光器直管4、内环激光器直管图2、为直管双层环布式CO2激光器的结构示意图3、外环激光器直管4、内环激光器直管A1、内环反射镜组A2、外环反射镜组B、聚束镜C、聚焦镜 M、马达 D、丝杠 Z、中心轴图3、为直管多层环布式CO2激光器直流高压电源6、三相高压变压器 7、三相高压硅堆整流桥 8、虚高压发生器9、镇流电阻 10、激光管放电通道实施例，如6万瓦直管双层环布式CO2激光器的技术性能指标为1、输入电压3相380V，50Hz，总电源功率P＝600kW2、激光器为双环结构，每环120根单管，共240根单管，单管长度L＝4.4米，分两段放电，起辉电压Vm≥28kV，工作电压V0＝15-16kV，工作电流I＝30-40mA；3、设计功率P＝60kW，分2kW、3kW、4kW、6kW、10kW、15kW、20kW、30kW、60kW共9档，分段可调；4、激光模式可以是环状模，也可以调成准基模，聚焦后的最小光斑直径约为2mm左右；光束的输出形态也可按需调成发散、平行或聚焦；5、电-光转换效率＝15-20％，电源传输效率η≥70％6、工作时无噪声，不产生有毒物质；7、使用寿命长，连续稳定工作时间可远远超过横流式CO2大功率激光器；
8、存贮寿命长，CO2气体消耗少，贮备2kg最佳配比的CO2激光混合气体管内气体更新在5分钟之内可以方便更换，并维持工作半年以上。
权利要求1.一种由内环、外环、内环激光器直管、外环激光器直管、直流高压电源、中心轴控制机构成的直管多层环布式CO2激光器，其特征在于a、多层环布式CO2激光器可以为单环或多环结构，多环结构有外环及数个内环，每环可以由多根CO2激光器直管组成；b、在直管多层环布式CO2激光器的中心轴上装有马达，马达与丝杆连接，丝杆的另一端装有聚束镜，每层环体中都对应有与激光管根数相同的反射镜组，反射镜组的反射光都射向聚束镜，构成多层环布式反射聚束组光学系统；c、由三相高压变压器，高压硅堆连接构成三相高压硅堆整流桥，其两端与滤波电容连接，由一只隔离高压硅堆及一只高压电容构成虚高压发生器，每个虚高压发生器之后连接一只镇流电阻，镇流电阻再分别与激光管放电通道连接，构成直流高压电源。
专利摘要直管多层环布式CO
文档编号H01S3/14GK2388745SQ99243840
公开日2000年7月19日 申请日期1999年8月27日 优先权日1999年8月27日
发明者史常龙, 戴立盛 申请人:中国科学院自动化研究所, 中国科学院高能物理研究所