[发明专利]一种铜蒸气激光器及铜蒸气激光切割机

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属蒸气激光器，特别涉及一种铜蒸气激光器及由其制成的铜蒸气激光切割机。

背景技术

铜蒸气激光器作为金属蒸气激光器的一种，由于其具有较高的重复频率(5-20Hz)、在可见光波段的双波长（511nm，578nm）激光振荡中具有脉宽窄（约30ns）、功率峰值高(约200kW)、光束质量好等优点，因而在材料处理及加工等方面具有广泛的应用前景。铜蒸气激光器在加工时具有较小的热效应区，非常适合钻小直径的孔及对切割面要求较高的加工。

铜蒸气激光器需要较高的工作温度，由此带来了一系列技术上的困难。为了设法降低铜蒸气激光器的工作温度，铜蒸气激光器的工作物质经历了从纯铜、铜的卤化物、铜的有机物的演变，工作温度相应的从1500℃以上的高温降到了300-600℃。但与此同时，更深入的应用需要进一步提高铜蒸气激光器的输出功率。输出功率的提高意味着需要加大放电管的口径，而放电管口径的加大相应又会出现输出激光束的中心呈现能量降低情况，即所谓的“黑心”现象，以及趋肤效应和激光器的等离子体和激光电源的放电回路不完全匹配等问题。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷和问题，本发明提供了一种大口径的以铜卤化物为工作物质的铜蒸气激光器，通过改进放电管的材质和结构，采用氖气与氢气混合的缓冲气体，多个绝缘栅双极晶体管级联构成脉冲功率开关的激光电源，大大提高了铜蒸气激光器的输出功率和光束质量。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种铜蒸气激光器，包括放电管、保温层、石英管、水冷套、激光谐振腔、电极和真空泵，所述放电管的外面设置保温层，所述保温层的外面设置石英管，所述的放电管、保温层和石英管围成真空室，所述放电管的内部均匀分布着铜卤化物，所述的石英管外部设置水冷套，水冷套一端接地，所述激光谐振腔由输出耦合镜与全反镜组成，所述输出耦合镜与全反镜分别位于真空室开口的各自一端，所述电极与保温层相连，且位于靠近全反镜的一端，所述的真空泵与石英管相连，且位于靠近输出耦合镜的一端。

进一步的技术方案，所述的放电管和保温层均由高纯度的三氧化二铝制成。其中，放电管由纯度为99.9%的三氧化二铝刚玉制成，保温层由具有高纯三氧化二铝的陶瓷制成。

进一步的技术方案，所述的保温层中间部分采用高热导率的陶瓷材料，两端部分采用较低的热导热率陶瓷材料制成。

具体地，在放电管内部均匀分布的铜卤化物之间设置数块隔板。

进一步的技术方案，所述的水冷套由不锈钢材质制成。

进一步的技术方案，所述真空室靠近全反镜一端设置缓冲气体入口，该缓冲气体入口与真空室相通。

进一步的技术方案，所述的真空室外部设置激光电源，该激光电源由高压直流单元、脉冲功率开关、激光管、电容器和电感组成，所述高压直流单元和脉冲功率开关并联后与电感1串联，然后与电容器1并联，再与电容器2、电感2串联后与电容器3、电感3、激光管并联。

具体地，脉冲功率开关由20个反向导通的绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成。

具体地，铜蒸气激光器使用的缓冲气体，其由氖气与氢气按4：1的（体积）混合组成。

本发明还提供了一种采用上述铜蒸气激光器制成的铜蒸气激光切割机，可以对铜、银等金属进行快速精细切割，也特别适合应用在半导体的制造领域。该铜蒸气激光切割机包括机床、放料架、龙门横梁、铜蒸气激光器、随动激光切割头、X轴传动机构、Y轴传动机构和控制柜，所述机床的上部设置放料架，所述的Y轴传动机构设置在机床两侧，所述龙门横梁设置在Y轴传动机构上，其与Y轴传动机构形成异面垂直，且位于放料架的顶部，所述的龙门横梁的上部设有X轴传动机构，所述的铜蒸气激光器设置在X轴传动机构上部，所述的随动激光切割头设置在龙门横梁中部，所述控制柜设置在机床的前侧面。

本发明提供了一种铜蒸气激光器，采用了纯度更高的刚玉制作成放电管和不同导热率材料制成的保温层，有利激光管两端保持较高的温度；同时，铜蒸气激光器内部充入了以氖气与氢气按4：1（体积）混合的混合气体作为缓冲气体，有效减少了激光器的“黑心”现象，增大了激光器的输出功率；而且本发明设计了特殊的铜蒸气激光器激光电源，特别是脉冲功率开关，由20个反向导通的绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成，寿命更长，能承受的截止电压、峰值功率和重复频率更高。本发明还提供了一种采用上述铜蒸气激光器制成的铜蒸气激光切割机，可以对铜、银等金属进行快速精细切割，也特别适合应用在半导体的制造领域。

附图说明