高功率激光电子设备的制作方法

1.本公开的各方面总体上涉及激光器功率系统，并且更具体地涉及具有冗余安全措施的改进的激光器功率系统。


背景技术：

2.激光器系统从各种不同的能量源产生准直且聚焦的光。高功率激光器系统通常使用与增益介质组合的一个或多个高能量光源，该增益介质例如是反射腔中的掺杂晶体棒、掺杂光纤线缆、光反应液体等。诸如卤素闪光灯、高电压发光二极管或激光二极管之类的高能量光源通常需要大量的电流和电压，具有快速切换时间。
3.高功率激光是危险的。将非反射表面暴露于高能量激光可以引起极端的表面温度，并且脉冲激光可以引起表面材料的闪光升华，从而导致表面的凹坑。活的组织基于光的波长而对激光反应不同，但是在任何情况下，眼睛暴露于激光都会具有范围从发红到永久性失明的极其负面的后果。在高能量水平下，即使部分反射的激光也会导致失明。fda已经限制向公众销售高功率激光器，并且对销售给合格的个人和团体的高功率激光器的操作进行了具体约束。对于高功率激光器，通常采用多种安全措施来确保不会发生意外激发。高功率激光器通常在特殊房间里操作，如果激光器正处于操作，该特殊房间会通知外面的人。这些特殊房间通常具有开关，当到房间的门打开时该开关跳闸并且操作以停用激光器。高功率激光器通常在激光其台上操作，该激光器台被设计成低于人的头部高度，并且具有快门和偏振覆盖件以防止意外暴露于激光。激光器安全的重要方面是确保激光器断开并且光不会逸出激光生成区域。
4.过去，较低功率的激光器系统使用不透明的盖或机械快门来阻止光离开激光生成区域。在现代的高功率激光器的情况下，因为来自此类激光器的光会燃烧或熔化大多数材料，所以使用盖或快门是不可能的。当前的高功率激光器系统切断激光器电压源与激光生成系统的电流源之间的电压。放电电路放置在电压源与电流源之间，以防止意外放电并减少触电的可能性。因为这种布局需要额外的切换和放电电路，所以这种布局成本高昂。
5.此外，目前的激光器系统设计有以低电压操作的电流源系统。因此，需要电压源将中等高电压的交流电流(ac)，例如来自壁插座的电流，转换为低电压的直流电流(dc)。因为这些现有系统不仅需要ac转dc的转换，而且还需要dc转dc电压逐步降低系统，所以这些现有系统是复杂的。
6.正是在此背景下提出了本公开的各方面。
附图说明
7.通过阅读以下详细描述并参考随附的附图，本公开的各方面的目的和优点将变得显而易见，在附图中：
8.图1是现有技术的激光器系统的功率供应装置的示意图。
9.图2是根据本公开的各方面的高电压激光器系统的示意图。
10.图3a是根据本公开的各方面的高电压激光器系统的前端ac转dc整流器的简化示意电路图。
11.图3b是根据本公开的各方面的高电压激光器系统的恒定电流源的简化示意电路图。
12.图4是根据本公开的各方面的高电压激光器系统的从上到下的框图。
13.图5是根据本公开的各方面的高电压激光器和冷却系统的简化侧视图。
14.图6是根据本公开的各方面的具有除湿器的高电压激光器和冷却系统的三维图。
15.图7是根据本公开的各方面的用于高电压激光器和冷却系统的除湿器的三维图。
具体实施方式
16.虽然以下详细描述包含用于说明目的的许多具体细节，但是本领域的普通技术人员将理解，对以下细节的许多变化和改变都在本发明的范围内。因此，在不损失所要求保护的发明的任何一般性并且不对所要求保护的发明施加限制的情况下，阐述以下描述的本发明的示例性实施例。
17.根据本公开的实施例，高电压开关可以被用于激光器的功率系统的电流生成部分中。高电压开关可以是快速切换的、高电压容限的晶体管，诸如氮化镓晶体管或碳化硅晶体管。使用高电压开关允许在激光器功率系统的其他区域进行大量改进。一个改进方面是进一步简化电压供应系统。第二改进方面是在维持冗余安全系统的同时减少安全部件。第三改进方面是冷却。
18.图1示出了现有技术的激光器功率系统。现有技术的激光器功率系统从ac电压源101接收高至中等的ac电压。高至中等的ac电压源可以是120伏功率输出装置、220伏功率输出装置、240伏功率输出装置、400伏功率输出装置等。ac电压源可以供应高达30安培的电流，并且在一些实施方式中，甚至更高的供应电流也是可能的。首先，前端ac转dc整流模块102接收ac电压。根据本公开的一些方面，可以在ac转dc整流模块102之前通过额外的ac线路滤波来对ac电压进行滤波。前端ac转dc整流将ac线路电压转换为dc电压。在整流之后，dc电压可以高达800伏的尖峰。然后，将尖峰的800伏dc功率提供至dc转dc转换器103以将该电压降低到可容忍的限度。dc转dc转换器103可以是降压转换器(在一些情况下是升压转换器)或反激转换器(fly-back converter)。前端ac转dc整流器102和dc转dc转换器103可以是激光器系统内的相同的分立的功率供应装置104或功率供应单元的一部分。
19.在功率供应单元中包含dc转dc转换器的主要缺点在于，对于转换器的操作，需要累积电容器。累积电容器在dc转dc转换器的循环期间用作电能存储，并且因此必须以高电压来充电。被充电的高电压电容器是非常危险的，这是因为没有该电容器已被充电的指示，并且被充电的电容器的电极之间的电路短路将会导致该电容器以极高的电流瞬时放电。此外，在没有额外的安全关断系统的情况下，因为电流源上的单一安全等级(一个晶体管)保护该系统免受意外的激光器放电的影响，所以dc转dc转换器会存在危险。如果晶体管发生电路短路失效并且存在dc，则将会发射光。图1的功率系统可以包括安全关断系统105以减少高电压电容器意外激发或放电的可能性。关断系统可以包括被布置成隔离该累积器电容器的两个开关。此外，安全关断系统可以包括放电分流器106，该放电分流器106被配置为当安全系统被接合时对累积器电容器进行放电。因为高电压放电线路必须围绕激光器系统布
线，并且必须设计和实施额外的安全切换控制系统，所以该安全系统增加了复杂性和额外的成本。
20.功率供应装置104的dc转dc转换器103部分将电压逐步降低到对平均应用更能容忍的较低电压。该较低电压可以在30伏与90伏之间。该较低电压被传递到电流源107。该电流源107为激光二极管生成受控的电流以在激光器系统中操作。如图所示，因为每个恒定电流源107以较低的电压操作，所以现有技术的设备需要许多恒定电流源107。这增加了激光器系统的额外成本和部件。
21.图2示出了根据本公开的各方面的改进的激光器功率系统。如图所示，改进的激光器系统保留了功率供应装置的前端ac转dc整流器202部分，但是在维持具有冗余安全性的操作的同时消除了成本高昂的dc转dc转换器和安全分流器。ac转dc整流器202从中等到高的ac电压源201获取ac电压，并将该ac电压转换为高电压dc电能。然后，在没有电压逐步降低转换的情况下，高电压dc电能直接传递205到恒定电流源203。在没有dc转dc转换器的情况下，安全切换系统和放电分流器是不必要的，并且因此可以被排除。可以将冗余安全关断系统204移动到恒定电流供应装置203。因为在恒定电流供应装置中已经使用的许多零部件可以被配置为在没有许多额外部件的情况下服务于安全关断的额外目的，所以将冗余安全关断系统204移动到恒定电流供应装置允许节省零部件。
22.另外，如图2所示，因为每个恒定电流源203以更高的电压操作，所以需要更少的恒定电流源203来向激光生成区域供应电能。在恒定电流源203中使用高电压mosfet允许该恒定电流源以更高的电压和频率操作而不会损坏。用于激光器系统的冗余安全系统也集成到恒定电流源203中，并且利用该高电压mosfet，如将参考图3a和图3b所论述的。
23.图3a和图3b描绘了具有功率模块和激光生成模块的激光器系统的简化模型的电路图。如图所示，激光器系统300可以包括前端ac转dc整流部件301、dc平滑部件302、电流源303、激光生成模块304、独立的第一安全关断装置305和独立的第二安全关断装置306。如图3a所示的前端ac转dc整流部件301可以从ac电压源309接收ac电压。前端ac转dc整流部件301可以包括变换器和整流器电路以将ac电压转换为dc电压。另外，ac转dc整流部件可以包括电感器、功率因数控制器和功率因数开关。功率因数控制器被配置为使用如图所示的功率因数开关来增加负载的功率因数。dc平滑部件302可以包括被选择为减少电压纹波(voltage ripple)的平滑电容器。该平滑部件302可以包括相当大的电容器来存储介于ac波尖峰之间的能量，以使其变成ac输入电压的下一个半波。虽然平滑电容器是大的，但是小于在逐步降低操作期间的较长时间段用作能量储存装置的dc转dc转换器中的累积电容器。此外，因为电流源中的安全关断装置和晶体管321确保了激光生成部件与平滑电容器中的dc电压隔离开，所以平滑部件的放电对于安全的重要性不如晶体管的故障不会导致意外的激光器放电。
24.用于生成激光的部件特别容易受到电流变化的影响，因此电流调节是必要的。ac转dc整流部件301和dc滤波部件302生成滤波后的dc电压；电流源303通过变换器321产生电流调节的ac电压，以便不管负载如何从该变换器321产生电流控制的电压。电流调节的ac电压在被传递到激光生成部件304之前，被整流器电路322(例如，二极管电桥)进一步整流。在替代性实施方式中，电流源303可以生成用于脉冲激光器的操作的电流脉冲。恒定电流源303可以包括多个高电压开关310、变换器321、整流器电路322、电感器323和滤波电容器
325。高电压开关310可以是氮化镓晶体管、碳化硅晶体管、或任何其他晶体管、或具有快速切换时间和高电压容限的类似的电操作的开关。电流源控制器307被配置为协调该高电压开关310的切换以通过变换器产生交流(ac)，并且在整流322之后还维持恒定的dc电流水平。滤波电容器325用于滤除从整流器322通过电感器323进入的电压纹波。为此目的所选择的滤波电容器需要具有小电容，这是因为该滤波电容器的作用是减少系统中的纹波的量，并且存储大量电能是不必要的。相比之下，现有技术的激光器功率系统中的累积电容器很大并且具有高电容，这是因为该累积电容器在dc转dc转换器电路的操作期间用作电荷存储装置。在图3b所示的电路图中，为了简单起见，仅示出了单个恒定电流源，但是应该理解，与图2一样，本公开的各方面包括其中多个恒定电流源耦接到图3a所示的ac转dc整流部件301的实施方式，在标注“通向电流源”和“返回”的箭头处连接。
25.如图3b所示，电流源303向激光生成模块304输出电流控制的电压。该激光生成模块可以包括一个或多个激光二极管、闪光灯、卤素灯、气体介质中的放电或其他光生成部件。光生成模块还可以包括未示出的其他部件，诸如聚焦透镜、反射镜和激光增益介质。在一些实施方式中，激光器可以是使用光纤线缆作为激光增益介质的光纤激光器。在本公开的其他实施例中，激光器可以是使用晶体棒作为增益介质的晶体激光器。在另外其他实施例中，激光器可以是气体激光器或染料激光器，其分别使用气体或液体染料作为增益介质。
26.为了确保安全操作，已经移动独立安全关断系统以控制该恒定电流源303。具体地，第一安全关断系统和第二安全关断系统对电流源控制器307和恒定电流源303中的多个高电压开关310施加控制。第一安全关断装置305被集成到用于恒定电流源的控制器307中。控制器307被配置为当安全关断装置305被触发时向多个高电压开关310发送低或零信号。由电流源控制器生成的低或零信号被提供至恒定电流源303中的高电压开关，这需要功率本身来促使高电压开关310变为“接通(on)”状态。独立于第一安全关断装置305，第二安全关断装置306控制到电流源控制器的功率。因此，即使当第一安全开关被触发时，电流源控制器发信号用于高电压开关的接通状态，该高电压开关310的栅极也不会变为“接通”，这是因为没有向电流源控制器提供功率以生成“接通”的信号。如图所示，第二安全关断装置306可以使用驱动器与用于该驱动器的功率供应装置之间的开关，以确保当安全关断装置被接合时电压不会驱动。可以由来自安全相关传感器的启用功率信号(power signal，缩写为ps)来控制第二安全关断装置306。如图所示，控制器307可以耦接到安全关断装置开关311的栅极。如果安全关断装置被接合，该安全关断装置可以从栅极去除电压，从而促使该开关311变为“断开(off)”状态。因此，关断到电流源控制器307的功率并消除电流源控制器307生成用于高电压开关310的信号的能力。作为通过变换器321生成ac电压的额外安全措施，需要高电压开关321的协调切换。如果发生导致高电压开关310中电路短路失效或切换信号失败而使开关处于“接通”状态的故障，则直流电流将流动通过变换器321，并且因此不会从变换器321产生电压，从而有效地将激光生成部件304与壁电压隔离开。因此，每个安全关断装置独立地操作，这是因为带有低pwm信号或没有pwm信号的供电驱动器不会在没有放大的情况下接通高电压开关；高pwm信号不足以接通高电压开关。
27.此外，安全系统可以利用独立地触发第一安全关断装置或第二安全关断装置的两个单独的安全触发器。例如且无限制，安全系统可以被配置为无论何时通向激光器室的门被打开均关断以上所论述的激光器系统。门可以布置有安全相关传感器324，诸如用于确定
门是否关闭的传感器。此外，激光器系统可以包括内部安全传感器，诸如用于检测到激光生成系统外壳的门或盖是否打开的传感器。外部和内部安全传感器324可以向电流源控制器发送外部信号，以通知该系统应该接合安全关断装置。电流源控制器307可以被配置为响应于来自相应的外部安全相关传感器或内部安全相关传感器的外部信号来控制电流源的操作。电流源控制器307可以耦接到安全关断机构，并且可以在当所有外部和内部安全相关传感器324不输出相应的安全相关信号时生成启用电流源的正常操作的启用信号。电流源控制器307可以被配置为响应于内部传感器或外部传感器中的一个传感器的安全相关信号来去除启用信号。一个或多个安全关断装置中的任一个能够操作以切换为“断开”，并且禁用电流源中的高电压开关310的功能，直到启用信号恢复。
28.另外，电流控制器307可以包括安全检查装置，以确保安全关断系统的恰当操作。第一安全关断装置305的安全检查装置可以包括当第一安全关断装置被接合时在变换器321之后的电流测量装置312。该检查确保了当pwm是低的或断开时高电压开关断开。如果跨变换器两端测量电流，则开关具有闭合的电路短路、或者电流源控制器307仍在生成用于高电压开关310的信号。第二安全关断装置306的安全检查装置可以包括当第二安全关断装置被接合时跨该第二安全关断装置的开关两端的电压测量313。如果检测到电压，则该开关已经失效。
29.图4示出了根据本公开的各方面的带有冷却的激光器系统的布局的框图。激光器外壳可以包括用于激光器系统部件的分立模块以及用于对该系统的各种输入装置的多个不同端口。如图所示，激光器系统包括冷却液体输入和输出端口401、ac出口电压输入装置402和激光输出装置403。转向激光器系统的内部，可以有ac线路滤波模块404、dc滤波电容器组405、前端ac转dc整流器模块406、一个或多个恒定电流源407和激光生成区域408。附图中未描绘的是电流源控制器和系统中部件的各种其他控制器。冷却系统由虚线指示，并且在激光器系统中的大多数有源部件和磁性件下方运行。可以通过使用表面安装部件来辅助冷却，该表面安装部件包括表面安装磁性件，诸如电感器和变换器。冷却区域位于重要的激光器系统部件中的每一个的下方，并且陶瓷垫集成在前端ac转dc整流器模块410的重要部件的下方。同样，陶瓷垫位于恒定电流源411的重要部件的下方。冷却系统还包括用于激光生成区域中的激光生成部件的陶瓷冷却垫。此外，金属热交换器与激光器系统的其他模块的电路板接触。在操作期间，水或其他冷却剂通过热交换器循环。这种设计允许液体与激光器系统本身保持分开。
30.图5是根据本公开的各方面的高电压激光器和冷却系统500的简化侧视图。如图5所示，用于将冷却液体循环到热交换器506或从热交换器506循环冷却液体的导管510在激光器外壳511下方延伸。这允许该系统利用液体冷却，而不会有在激光器内部水流出的危险。根据本公开的各方面的改进的冷却系统利用金属热交换器506。金属热交换器506可以包括导管510，例如管或中空的腔，该导管510用于循环被加工到热交换器506的金属中的冷却剂。用于不同部件的电路板505可以与热交换器506接触。来自表面安装的无源部件503的热可以通过电路板505通过传导冷却而被消散。如图所示，诸如前端ac转dc整流器板505之类的一些部件板可以包括各种不同的表面安装磁性件501，诸如变换器或电感器。板505可以包括用于表面安装磁性件501的切口504。表面安装磁性件501可以与陶瓷冷却垫508接触，该陶瓷冷却垫508被嵌入或以其他方式固定到金属热交换器506。在一些实施例中，表面
安装磁性件501可以用导热胶或导热膏来固定到陶瓷冷却垫。一些板505可以包括表面安装有源部件502，诸如晶体管。因为有源部件502在操作期间比无源部件生成更多热，所以有源部件502对于冷却问题特别敏感。导热金属507的层可以放置在表面安装有源部件502的下方，并且该表面安装有源部件502可以与导热金属507接触。导热胶或导热膏可以放置在有源部件502与导热金属507之间以帮助热传导。导热金属可以是铜、镍、锡、铅或金属合金。如图所示，陶瓷冷却垫509可以至少放置在电路板505的有源部件502的下方。在替代性实施例中，陶瓷冷却垫509可以延伸该板505的整个长度，或者被选择性地放置在板的发现需要额外的热传导冷却的区域中。可以通过使用导热胶或导热膏来帮助陶瓷冷却垫508、509与电路板505之间的热传导。由于不需要集成到激光器外壳中的空气冷却风扇，所以使用带有热传导的液体冷却允许该系统运行得更安静。
31.尽管示出了电子部件的液体冷却，但是本公开不限于此。液体冷却也可以与激光生成部件一起实施。二极管或其他发光部件可以被放置成与陶瓷冷却垫接触，并且使用导热胶或导热膏来固定。此外，诸如激光增益介质、反射镜和聚焦透镜之类的其他激光部件可以与陶瓷冷却垫接触。与以上所描述的电路板一样，用于冷却液体的腔可以通过金属热交换器在激光生成系统下方行进，并且可以将热从激光部件通过陶瓷垫交换到金属热交换器并最终交换到冷却液体。冷却液体被循环出热交换器并通过冷凝器或另一热交换器来被冷却。
32.金属热交换器506可以是任何导热金属，诸如铝、铜、钢、镁等。陶瓷冷却垫508、509可以被集成到机加工到金属热交换器中的凹部中，并且该陶瓷冷却垫508、509可以由导热陶瓷制成，诸如氮化铝、碳化硅、氧化铍、氮化硅、多晶金刚石等。
33.在一些实施方式中，高电压激光器和冷却系统500可以有利地包括以下附加特征中的任一个、一些或所有特征：
34.外壳511可以被密封，例如在所有机械接口处用垫圈密封。
35.用于冷却剂的导管510(例如，管或腔)可以是气密密封的内部液体冷却管(因此不存在内部的湿气源)。
36.系统500可以包括除湿器，例如膜除湿器，该除湿器被配置为从例如图6和图7中所描绘的外壳511内去除环境湿气。通过示例的方式，除湿器可以是电解型除湿器(例如，反向燃料电池)。商业上可获得的电解型除湿器的示例是来自日本尼崎的ryosai technica有限公司的rosahl model m-3j1r通用除湿元件。
37.外壳511可以包括内部干燥剂包，该内部干燥剂包用于在断电和运输期间保护免受湿气影响。通过示例而非限制的方式，这种干燥剂包可以是硅胶包。商业上可获得的硅胶包的示例是来自马萨诸塞州的阿什利福尔斯的hydrosorbent的sg-40硅胶罐。
38.根据本公开的某些方面，以上描述类型的激光器系统可以用千瓦级近红外1μm波长光纤激光器作为激光生成模块304来实施。这种激光生成模块可以包括处于机架安装配置中的连续波(continuous wave，缩写为cw)镱光纤激光器。这种配置可以以具有高的功率与体积比的超紧凑形式实现无与伦比的性能。这种光纤激光器模块可以被配置为实现高达4千瓦至8千瓦的cw功率。这种激光器系统有可能提供高cw功率和专用的高尖峰功率(high peak power，缩写为hpp)的有利组合。
39.根据本公开的各方面的激光器系统可以以显著减小的每千瓦封装体积来实施。例
如，一种具有范围从约1千瓦(kw)至约1.5kw功率的传统光纤激光器系统具有48.8厘米(cm)
×
58.0cm
×
13.3cm尺寸以用于约37,640cm3或约37.6升的体积的封装。这对应于范围从约25升/千瓦至约37.6升/千瓦的每千瓦体积。本文所描述类型的1kw到1.5kw的集成激光器系统(例如关于图4、图5和图6)可以用具有48.8厘米(cm)
×
55.0cm
×
8.8cm尺寸以用于约22,670cm3或约22.7升的体积的外壳511来实施。这对应于范围从约15升/千瓦至约22升/千瓦的每千瓦体积。
40.对于更高功率的激光器系统，每千瓦体积甚至可以减小更多。具体地，具有范围从约1千瓦(kw)至约1.5kw功率的传统系统具有48.8厘米(cm)
×
79.8cm
×
17.7cm尺寸以用于约68,930cm3或约68.9升的体积的封装。这对应于范围从约17升/千瓦至约34.5升/千瓦的每千瓦体积。本文所描述类型的1kw到1.5kw的集成激光器系统(例如关于图4、图5和图6)可以用具有48.8厘米(cm)
×
76.0cm
×
8.8cm尺寸以用于约32,640cm3或约32.6升的体积的外壳511来实施。这对应于范围从约8.2升/千瓦至约16.3升/千瓦的每千瓦体积。
41.此外，根据本公开的各方面的集成激光器系统的壁插接效率(wall plug efficiency)在以上所描述功率范围上可以全部大致相同，例如大约38％至40％。
42.根据本公开的各方面的具有气密密封的机架设计的激光器系统实施方式可以设想在恶劣的环境中操作，包括具有超过90％的相对湿度的环境。
43.根据本公开的各方面的激光器系统可以结合多种不同的远程控制选项，包括模拟(analog)、rs-232或以太网，并且内置带有互联网连接的自诊断，用户友好的机架安装配置对于易于集成到生产线而言是最具成本效益和适应性的解决方案，从而实现工业4.0智能制造。
44.根据本公开的各方面的激光器系统可以被用于多种不同的金属切割、焊接和钻孔应用，这些应用受益于在较厚的材料中快速且干净的可重复的穿孔和钻孔、精密质量切割、额外的脉冲焊接能力、以及对高反射性金属的切割和焊接，所有这些都提高了过程速度和质量。根据本公开的各方面的激光器系统可以实现改进的过程质量和速度以及更高的总产量，同时节省材料、时间和操作成本。
45.虽然以上是对本发明的优选实施例的完整描述，但是可以使用各种不同的替代、修改和等效物。因此，本发明的范围不应参考以上描述来确定，而是应当参考所附权利要求以及它们的全部等同物范围来确定。无论是否是优选的任何特征都可以与无论是否是优选的任何其他特征组合。除非另有明确说明，否则在随后的权利要求中，不定冠词“一”或“一种”是指该冠词后面的项目中的一个或多个项目的量。随附的权利要求不应被解释为包括“手段加功能”限制，除非在给定的权利要求中使用短语“用于
……
的手段”明确记载了这种限制。