一種新型二氧化碳射頻金屬雷射器的製作方法
2023-04-25 13:15:32
本實用新型涉及雷射器的技術領域，特別涉及一種新型二氧化碳射頻金屬雷射器。
背景技術：
二氧化碳射頻金屬雷射器，是近年來工業雷射市場上發展最為迅速的技術之一，被認為是玻璃管封離二氧化碳雷射器的最佳替代品。
它採用全金屬化結構，具有體積小、全封閉、裝置緊湊、封離運轉、免維護、成本低、調製特性優良、輸出光束質量高(比玻璃管精細3倍多)、注入功率密度高、工作電壓低、輸出功率方便可調、功率穩定性優異、運行可靠性高等特點，更為重要的是，二氧化碳射頻金屬雷射器還具有使用壽命長(一般在20000小時以上)、維修成本低、充氣後還可重複使用，且無需更換等優勢；在各類商用雷射器中，二氧化碳射頻金屬雷射器的每瓦輸出成本最低，插頭效率較高，在10％-12％之間，其應用包括柔性材料、非金屬固性材料和的高速切割、雕刻、焊接等。這些優勢，使得二氧化碳射頻金屬雷射器，非常適合工業化連續作業生產。
但是，現有技術中，二氧化碳射頻雷射器電極在電極進行精加工安裝以後，電極之間的距離無法調整，當電極需要優化調整時，則需要重新拆裝雷射器腔體，修改相關器件的尺寸參數，由於雷射器腔體為真空腔體，屬於精密部件，上述調整方式需要專業器械和人員，使得在調整的過程中可能存在影響雷射器腔體的相關參數的問題；再者，現有技術中，二氧化碳雷射器光路系統還存在光束旁瓣、加工精度不高的問題。
技術實現要素：
本實用新型要解決的技術問題是提供一種加工精度高、無光束旁瓣的新型二氧化碳射頻金屬雷射器，以克服當電極需要優化調整時，需要重新拆裝雷射器腔體，修改相關器件的尺寸參數，由於雷射器腔體為真空腔體，屬於精密部件，上述調整方式需要專業器械和人員，使得在調整的過程中可能存在影響雷射器腔體的相關參數的問題。
為了解決上述技術問題，本實用新型的技術方案為：
一種新型二氧化碳射頻金屬雷射器，包括雷射器腔體、整形腔體，雷射器腔體內設置有上電極、下電極、放電區左側擋板、放電區右側擋板；
上電極位於雷射器腔體內的上凹槽中，下電極位於雷射器腔體內的下凹槽中，上電極和下電極沿雷射器腔體的縱向平行放置；放電區左側擋板、放電區右側擋板與雷射器腔體為一體結構，整體擠壓成型，上電極、下電極通過頂絲固定於雷射器腔體內；
上電極、下電極、放電區左側擋板、放電區右側擋板的豎直截面呈T字形；
上電極、下電極和放電區左側擋板、放電區右側擋板之間用定位球固定絕緣，定位球材質為氧化鋁陶瓷，直徑為2mm；上電極、下電極、放電區左側擋板、放電區右側形成長方形射頻放電通道。
作為進一步的技術方案，雷射器腔體整體呈長方體；上電極、下電極、放電區左側擋板、放電區右側擋板組成的區域形成密閉的儲氣室，儲氣室內為CO2、N2、He和Xe的混合氣體，並控制混合氣體的最佳總氣壓在10～12kPa之間，最佳氣體混合比為CO2：N2：He：Xe＝16:16:63:5。
作為進一步的技術方案，上電極、下電極通過上電極、下電極上設置的頂絲進行高度的調整。
作為進一步的技術方案，整形腔體包括平面反射鏡、球面聚焦鏡、空間濾波器、柱面鏡以及球面準直鏡構成；
雷射器腔體內的上電極、下電極產生的雷射束依次通過其內設置的諧振腔輸出鏡、窗口鏡進入整形腔體，雷射束進入整形腔體依次通過平面反射鏡、球面聚焦鏡、空間濾波器、柱面鏡以及球面準直鏡進行整形。
作為進一步的技術方案，上電極、下電極沿長度方向側端的對應位置均勻設置有多個電感定位孔，上電極、下電極之間通過每組對應設置的電感定位孔內設置的匹配電感連接；上電極的頂絲和上電極的電感定位孔之間、下電極的頂絲和下電極的電感定位孔之間均開有通槽。
作為進一步的技術方案，雷射器腔體上方設置有風扇，風扇通過雷射器腔體上的多個螺孔用螺絲固定連接。
作為進一步的技術方案，雷射器腔體的左右兩個外側壁上均設置有散熱翼片；散熱翼片與雷射器腔體為一體結構，整體擠壓成型。
作為進一步的技術方案，雷射器腔體、上電極、下電極、放電區左側擋板、放電區右側擋板材質為鋁合金，均為擠壓拉制而成。
作為進一步的技術方案，雷射器腔體上方設置有一臺階，臺階上設置有電路安裝槽，電路安裝槽內部裝有控制電路板、射頻電源板和電極。
採用上述技術方案，由於上電極位於雷射器腔體內的上凹槽中，下電極位於雷射器腔體內的下凹槽中，上電極、下電極通過頂絲固定於雷射器腔體內；上電極、下電極與雷射器腔體為分體結構，位置可調，放電區左側擋板、放電區右側擋板與雷射器腔體為一體結構，使得整體結構簡單緊湊，上電極、下電極之間的距離便於專業操作人員進行調整。
上電極、下電極和放電區左側擋板、放電區右側擋板之間用定位球固定絕緣，上電極、下電極、放電區左側擋板、放電區右側形成長方形射頻放電通道，保證了在射頻放電時，電極與側擋板之間互不幹擾。
此外，上電極和下電極間距可以通過頂絲調節。上電極頂絲和上電極電感定位孔之間、下電極頂絲和下電極電感定位孔之間均開有通槽。該電極結構不僅方便雷射器腔體和上電極、下電極的安裝，而且實現了上電極、下電極之間距離的微調。
本實用新型的雷射產生後進入上部的整形腔體，光束依次通過平面反射鏡、球面聚焦鏡、空間濾波器、柱面鏡以及球面準直鏡，可滿足整形後的光束在7000毫米距離兩個方向上的束寬基本一致，光束半寬差值在0.15毫米內。完全可以認為整形後的光束在7000毫米的範圍內是準直光束，保證可以滿足絕大多數雷射加工系統的需要。
附圖說明
圖1為本實用新型一種新型二氧化碳射頻金屬雷射器的系統結構示意圖；
圖2為本實用新型一種新型二氧化碳射頻金屬雷射器的雷射器腔體結構示意圖；
圖中，1-雷射器腔體，2-整形腔體，3-上電極，4-下電極，5-放電區左側擋板，6-放電區右側擋板，7-頂絲，8-定位球，9-儲氣室，10-電感定位孔，11-匹配電感，12-散熱翼片，13-諧振腔輸出鏡，14-窗口鏡，15-電路安裝槽，16-平面反射鏡，17-球面聚焦鏡，18-空間濾波器，19-柱面鏡，20-球面準直鏡。
具體實施方式
下面結合附圖對本實用新型的具體實施方式作進一步說明。在此需要說明的是，對於這些實施方式的說明用於幫助理解本實用新型，但並不構成對本實用新型的限定。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
如圖1至圖2所示，本實用新型的一種新型二氧化碳射頻金屬雷射器，包括雷射器腔體1、整形腔體2，雷射器腔體1為左右對稱結構，內設置有上電極3、下電極4、放電區左側擋板5、放電區右側擋板6。
上電極3位於雷射器腔體1內的上凹槽中，下電極4位於雷射器腔體1內的下凹槽中，上電極3和下電極4沿雷射器腔體的縱向平行放置；放電區左側擋板5、放電區右側擋板6與雷射器腔體1為一體結構，整體擠壓成型，上電極3、下電極4通過頂絲7固定於雷射器腔體1內；上電極3、下電極4通過上電極3、下電極4上設置的頂絲7進行高度的調整。
上電極3、下電極4和放電區左側擋板5、放電區右側擋板6之間用定位球8固定絕緣，定位球8材質優選為氧化鋁陶瓷，直徑為2mm；上電極3、下電極4、放電區左側擋板5、放電區右側形成長方形射頻放電通道；由巴型定律可知上電極3與放電區左側擋板5、上電極3與放電區右側擋板6、下電極4與放電區左側擋板5、下電極4與放電區右側擋板6之間沒有放電發生，可有效將氣體放電的區間限制在規定的上電極3和下電極4之間。
雷射器腔體1整體呈長方體；上電極3、下電極4、放電區左側擋板5、放電區右側擋板6的豎直截面呈T字形，其組成的區域形成密閉的儲氣室9，儲氣室9內為能放電發出雷射的氣體，本實用新型的儲氣室9內的氣體為CO2、N2、He和Xe的混合氣體，並控制混合氣體的最佳總氣壓在10～12kPa之間，控制最佳氣體混合比為CO2：N2：He：Xe＝16:16:63:5。
整形腔體2包括平面反射鏡16、球面聚焦鏡17、空間濾波器18、柱面鏡19以及球面準直鏡20構成；雷射器腔體1內的上電極3、下電極4產生的雷射束依次通過其內設置的諧振腔輸出鏡13、窗口鏡14進入整形腔體2，雷射束進入整形腔體2依次通過平面反射鏡16、球面聚焦鏡17、空間濾波器18、柱面鏡19以及球面準直鏡20進行整形。
窗口鏡14選用金剛石窗口製成，金剛石窗口鏡14的導熱性好，導熱性好意味著得到更高的輸出功率的同時具有更小的熱效應；平面反射鏡16為一個轉折鏡，它的主要作用是改變光束的傳輸方向，球面聚焦鏡17表示一個球面鏡，用於對輸出光束的非穩方向進行聚焦，而球面鏡的作用就是對未整形光束非穩方向進行聚焦，在球面鏡焦平面處得到聚焦光束的遠場分布，實現光束低頻與高頻部分在焦平面上分離，便於後續旁瓣的消除；空間濾波器18消除了輸出光束中的旁瓣，改善了輸出光束非穩方向的光束質量；柱面鏡19用於控制輸出光束非穩方向的發散角，控制輸出光束兩個方向的束寬；通過調整球面準直鏡20的曲率半徑與放置位置，可以對整形光束的束腰位置進行調整。
上電極3、下電極4沿長度方向側端的對應位置均勻設置有多個電感定位孔10，上電極3、下電極4之間通過每組對應設置的電感定位孔10內設置的匹配電感11連接；本實用新型的上電極3和下電極4之間並聯兩個諧振電感，形成LC高Q的諧振電路與射頻電源振蕩頻率匹配，保證射頻電壓放電通道的均勻分布，實現了射頻功率的最大轉換效率；上電極3的頂絲7和上電極3的電感定位孔10之間、下電極4的頂絲7和下電極4的電感定位孔10之間均開有通槽，該電極結構不僅方便雷射器腔體1和上電極3、下電極4的安裝，而且實現了上電極3、下電極4之間距離的微調。
雷射器腔體1上方設置有風扇，風扇通過雷射器腔體1上的多個螺孔用螺絲固定連接；採用設置於雷射器腔體1的外部的風扇對雷射器腔體1進行散熱，使得雷射器腔體1的體積較小，且用風冷替換了水冷，克服了水冷時一直存在的水箱漏水、冷卻水流性差導致散熱不足等致命故障，提高了系統的可靠性。
雷射器腔體1的左右兩個外側壁上均設置有散熱翼片12；散熱翼片12與雷射器腔體1為一體結構，整體擠壓成型，實現了良好的熱擴散效應；雷射器腔體1、上電極3、下電極4、放電區左側擋板5、放電區右側擋板6材質為鋁合金，均為擠壓拉制而成。
雷射器腔體1上方設置有一臺階，臺階上設置有電路安裝槽15，電路安裝槽15內部裝有控制電路板、射頻電源板和電極；臺階的設計使得電路安裝槽15部與雷射器腔體1脫離，保證了腔體的散熱不影響電路的實際工作效果。
以上結合附圖對本實用新型的實施方式作了詳細說明，但本實用新型不限於所描述的實施方式。對於本領域的技術人員而言，在不脫離本實用新型原理和精神的情況下，對這些實施方式進行多種變化、修改、替換和變型，仍落入本實用新型的保護範圍內。