緊湊型co2片狀激光器的制造方法

緊湊型co2片狀激光器的制造方法
【專利摘要】緊湊型CO2片狀激光器被收容在具有三個隔室(46,48,50)的流體冷卻殼體(40)中。一個隔室(48)容納放電電極(70,71)和激光器諧振器。另一隔室(48)容納組裝到流體冷卻冷板(82)上的射頻電源(RFPS)和阻抗匹配網絡。其余隔室(50)容納包括空間濾波器(290,340)的光束調節光學器件。殼體(40)和RFPS冷板(82)位于具有單入口(214,259)和單出口(216,272)的共同的冷卻劑流體回路上。空間濾波器(290,340)任選地能夠在共同的冷卻劑流體回路上進行流體冷卻。
【專利說明】緊湊型co2片狀激光器

【技術領域】
[0001]本發明一般涉及射頻(RF)激勵二氧化碳(C02)氣體放電激光器。本發明尤其涉及用于這種激光器的商業封裝布置。

【背景技術】
[0002]圖1示意性地圖上出用于高功率C02片狀激光器系統10的現有技術的封裝布置10。該布置包括封裝在單獨的外殼中的三個基本子系統。三個子系統是:外殼12中的固態高功率RF電源(RFPS);外殼14中的RF阻抗匹配網絡，包括使RFPS的輸出阻抗與激光器放電的輸入阻抗匹配所需的部件；以及氣密C02激光器管殼體16，其收容激光氣體混合物中的激光放電電極以及光學諧振器。在圖1中未示出第四子系統，其包括用于修正輸出激光器光束的光學組件。該第四子系統包括:空間濾波組件，其用于清除激光光束，以及用于對激光光束整形的透鏡；光學檢測器，如果激光光束射出，光學檢測器通知用戶；以及電子控制安全遮板，其保護用戶免受意外激光輻射性暴露的傷害。
[0003]為了防止雜散RF輻射線引起電磁(EM)干擾，全部三個子組件外殼通常是接地金屬外殼，并且外殼的輸入端口和輸出端口全部經過嚴格屏蔽。為了防止高功率激光器工作過熱，例如，在高于250W的激光器輸出功率下工作，全部三個外殼和光學子系統都設有液體冷卻，如圖1中示意性指示的。
[0004]DC電源輸入18，通常為48伏特，設置到RFPS12。還提供輸入命令信號端口 20，以使系統操作員能夠將接通和關斷脈沖指令提供給RFPS，并且還將打開和關閉命令提供給安全遮板(未顯示)。RFPS12還可以包括診斷電路系統，其經由線路22將激光器系統10的狀況報告給操作員。
[0005]從激光器系統的效率、尺寸和成本方面考慮，期望將外殼12、14和16以及上述的光學子組件定位成盡可能靠近。除了降低與提供相互連接的同軸電纜相關聯的成本之外，這起到了減少RF損失和光學損失的作用。當然，這不會減少構建、冷卻和互連單獨的外殼的基本成本和工作。
[0006]外殼12、14和16的內部布置以及它們之間的互連的一些細節不意性地描繪于圖2中。在RFPS外殼12中，為簡化圖示說明，僅描繪了用于經由多個同軸電纜段24將多個放電器級的輸出相組合的布置。這種功力組合布置描述于轉讓給本發明的受讓人的美國專利N0.7，755，452中，該專利的全部內容通過引用合并于本文中。
[0007]RFPS的組合的單輸出通過屏蔽良好的RF互連盒26以使來自RFPS得組合功力到達阻抗匹配網絡28，此處阻抗匹配網絡28包括電感Q和L2，以及電容器Q和C2。電感Q，L2以及電容器Cl在共同節點29處連接在一起。阻抗匹配網絡28的輸出連接到由虛線輪廓線30指示的外殼16中的氣密的、低阻抗通孔，以匹配激光器的放電電極34和36的阻抗
[0008]諸如系統10的激光器系統通常集成到用于實施諸如激光加工或激光熱處理的一些激光處理的更大型裝置中。由于此，對于減小這種激光器系統的尺寸和復雜度以使激光器系統更易于集成到激光器處理系統中且使處理系統本身更緊湊的需求總是存在。
[0009]發明概述
[0010]本發明涉及C02RF氣體放電激光器裝置。在一個方面，依照本發明的裝置包括由細長金屬擠出件細長的激光器殼體，實施擠出件構造為容許冷卻劑液體通過其中來冷卻殼體。第一和第二細長放電電極位于激光器殼體中。電極彼此間隔開且平行，在它們之間限定了放電間隙。第一電極充當帶電電極，而第二電極充當接地電極。放電電極構造為容許冷卻劑液體通過其中以便冷卻電極。提供第一和第二諧振器反射鏡，諧振器反射鏡限定了延伸貫通放電電極之間的放電間隙的激光器諧振器。具有工作頻率的射頻電源(RFPS)和阻抗匹配網絡位于激光器殼體中，用于將RF電力供給到電極,在放電間隙中產生RF放電，使得在激光器諧振器中產生激光光束并且從激光器諧振器中輸送激光光束。RFPS組裝到細長的金屬安裝板上，金屬安裝板構造為容許冷卻劑液體通過其中以便冷卻組裝到其上的RFPS。
[0011]在組裝的優選實施方案中，存在將通過金屬擠出件、電極和RFPS的金屬安裝板的冷卻劑流體通道組合成具有單個冷卻流體入口和單個冷卻劑流體出口的冷卻劑回路的布置。冷卻劑回路布置成使得輸送給冷卻劑入口的冷卻劑流體在經由冷卻劑出口離開冷卻劑回路之前順序地流經金屬殼體擠出件、經過電極以及經過RFPS的金屬安裝板。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]并入說明書并構成本說明書的一部分的附圖示意性地圖示了本發明的優選實施方案，并且與上文給出的一般性描述和下面給出的實施例的詳細描述一起用于解釋本發明的原理。
[0013]圖1示意性地示出了包括第一殼體、第二殼體和第三殼體的現有技術的CO2片狀激光器布置，其中第一殼體包含放電電極和激光器諧振器，第二殼體包含射頻電源(RFPS),第三殼體包含用于使RFPS輸出阻抗與放電電極的輸入阻抗匹配的阻抗匹配網絡。
[0014]圖2是示意性地示出了圖1的片狀激光器布置的電氣部件、連接和通孔布置的電路圖。
[0015]圖3是示意性地示出了依照本發明的用于激光器殼體的流體冷卻激光器殼體擠出件的橫向剖視圖，實施擠出件具有用于容納RFPS和阻抗匹配網絡的第一隔室、用于容納電極組件和阻抗匹配網絡的第二隔室以及用于容納包括空間濾波器的光束調節光學器件的第三隔室。
[0016]圖4A、圖4B、圖4C和圖4D示意性地示出了依照本發明的用于提供電極和激光器殼體之間的極高RF阻抗的延伸的、折疊的、電極冷卻管的形成步驟。
[0017]圖5是示意性地示出了圖3的擠出件的橫向剖視圖，擠出件具有包括帶電電極和接地電極的電極組件、RFPS和關聯的阻抗匹配電路以及安裝在對應的隔室中的空間濾波器，RFPS組裝到流體冷卻冷板上。
[0018]圖5A是示意性地示出了圖5的RFPS冷板中的流體冷卻溝道的優選布置的平面圖。
[0019]圖6A是示意性地示出了用于將圖5的殼體的第一隔室中的阻抗匹配網絡與圖5的殼體的第二隔室中的電極組件的帶電電極連接的布置的分解三維視圖。
[0020]圖6B是示意性地示出了圖6A的帶電電極連接的進一步的細節以及接地電極與第二隔室的基底連接的細節的分解三維視圖。
[0021]圖7是示意性地示出了圖5的殼體的第二隔室的端板上激光器諧振器的反射性強的端反射鏡的安裝細節以及殼體的第二隔室的基底上電極組件的安裝布置的細節的分解三維視圖。
[0022]圖7A和圖7B示意性地示出了在殼體的每端處突7的殼體的第二隔室中的電極和反射鏡安裝的進一步細節。
[0023]圖8是示意性地示出了依照本發明的包括圖5中帶殼體蓋的擠出殼體的激光器的優選實施方案的三維視圖。
[0024]圖8A是示意性地示出了圖8的激光器的三維視圖，殼體蓋已移除以暴露擠出件的孔隙，便于在殼體隔室中安裝和調節部件，包括圖5的空間濾波器。
[0025]圖9是圖8的激光器的分解三維視圖，示意性地示出了在激光器的諧振器輸出端處端板以及其上的部件和冷卻流體歧管的細節。
[0026]圖10是圖9的激光器端部的分解三維視圖，移除了流體冷卻歧管以顯示出電極冷卻管附接到端板的細節。
[0027]圖11是示意性地示出圖9的電極冷卻管與端板以及與歧管的密封的細節的分解三維視圖。
[0028]圖12是圖9的激光器端部的分解三維視圖，示意性地示出了圖8的冷卻劑流體流動模式以及進出歧管的方向的一個實施例。
[0029]圖13是圖8的激光器的分解三維視圖，示意性地示出在激光器的激光光束端部處的端板和部件的細節。
[0030]圖14是示意性地示出圖8和圖8A的激光器的第三隔室中的空間濾波器組件的一個優選實施方案的細節的分解三維視圖。
[0031]圖15是以組裝形式示意性地示出圖14的空間濾波器組件的三維視圖。
[0032]圖15A是以組裝形式示意性地示出圖14的空間濾波器組件的正視圖。
[0033]圖15B是大體沿圖15A的方向A_A看到的剖視圖，示意性地示出了圖15的組件中的部件的相互作用的細節。
[0034]圖15C是大體沿圖15A的方向B_B看到的剖視圖，示意性地示出了圖15的組件中的部件的相互作用的進一步的細節。
[0035]圖16是示意性地示出圖8和圖8A的激光器的第三隔室中的空間濾波器組件的另一優選實施方案的細節的分解三維視圖。
[0036]圖17是處于組裝形式的圖16的空間濾波器組件的剖視圖，示意性地示出了其部件的相互作用的細節。
[0037]發明詳述
[0038]現在參考附圖，其中相似的部件用相似的附圖標記來指示，圖3是無陰影橫向剖視圖，示意性地示出了依照本發明的激光器外殼40。外殼主要由定制的鋁擠出件形成，并且由內壁42和44劃分成單獨的隔室46、48和50。隔室通過端部法蘭氣密密封，圖3中未示出端部法蘭，但是在更高標號的圖中描繪了端部法蘭，下文中將對其進行進一步論述。擠出件的示例性的外部尺寸是大約四十四英寸的長度、大約八英寸的高度以及大約七英寸的寬度。
[0039]隔室46用來裝入激光器的RFPS電源以及用于激光器放電電極的阻抗匹配網絡。因此，該隔室將上述現有技術的激光器系統的外殼12和14的功能組合到一起。隔室48用來容納激光器的放電電極子組件，因此對應于現有技術的激光器系統的外殼16。隔室50用來容納光學子組件，上文未論述，但是在圖1或圖2的現有技術附圖中未顯示。
[0040]沿著隔室46的內部，設有用來支撐RFPS子組件的軌道52。沿著隔室50的內部，設有用來支撐光束成形光學子組件的部件的燕尾形軌道54和凹槽56。在隔室48的各端(僅顯示了一個)，設有布置成容納軟金屬密封件的凹槽58，該軟金屬密封件與端部法蘭配合，提供用于收容激光氣體混合物的隔室的氣密密封。激光氣體混合物通常是CO2、氮氣(N2)和氦氣(He)的混合物，這是本領域公知的。沿擠出件以各周向間隔延伸的肋件60在允許壁厚減小而使得重量最小的同時提供了剛度。
[0041]設有兩個內部的液體冷卻通道(導管)62A和62B，每個液體冷卻通道62A和62B沿擠出件的對應一側的長度向下延伸。優選地，這些是具有相對較大直徑的通道。這免除了將銅管插入到通道內的需要以及將防腐劑添加到冷卻劑中的需要。這能夠銅管使得冷卻通道的直徑相對較大來實現，例如，在上文論述的示例性的擠出件尺寸的背景下為大約3/8英寸的直徑。提供了用于附接端部法蘭(端板或蓋板)的多個螺孔64。
[0042]雖然發明的激光器的對應的子組件在功能上等同于圖1和圖2所示的現有技術激光器的子組件，為了將發明的激光器系統容納在圖3的隔室型殼體中，需要對子組件進行一些修改。下面從圖4A、圖4B、圖4C和圖4C開始闡述這些修改的描述，這些圖示意性地圖示出了提供無需與激光器殼體電絕緣的電極冷卻布置的步驟。
[0043]圖4A示意性地示出了激光器的帶電或“熱”電極70的端部。為圖示簡化，對應的接地電極未示出。細長的U型冷卻管72從電極70 (未顯示)的端部插入延伸貫通電極的兩個鏜孔(未顯示)。選擇延伸的U型冷卻管(在激光器工作期間除以熱電極電位)的長度一時的，管的足夠的長度從電極伸出，使得當兩次折疊與自身平行時，延伸部在RFPS頻率(大約100MHz)下提供足夠高的電感，以使其接觸接地外殼而不會導致短路。這意味著，能夠將冷卻管與激光器殼體連接，而無需提供絕緣的通孔。這樣節約了空間以及與該通孔關聯的成本。在圖4A中，管的一端72A描繪為在其自身上已經兩次回折。另一端72B將要折疊。電極的區域74被釋放，并且凹槽26 (僅從圖4A中的一側可見)設置為容納管的兩次折疊的端部。對于10MHz的工作頻率，管優選地具有至少大約十二英寸(12”)的未折疊長度。
[0044]圖4B描繪了第一折，與電極的端部相距L而形成在冷卻管70的端部72B中，該距離等于電極的釋放部分的長度。圖4C描繪了第二、U型折F2，形成在管的端部72B中以將管端部折疊到凹槽76中且沿著電極的釋放部分74。圖4D描繪了第三折F3，其與折Fl相加從而將管的端部72B沿電極的釋放部分74折回到其自身。
[0045]圖5是橫向剖視圖，示意性地描繪了圖3的擠出件40，安裝了激光器子組件。該圖是從激光器原型的真實工程圖復制而來，并且包括了子組的許多細節，從而提高了發明的激光器的緊湊型的圖形描述。僅子組件的這些細節視為是新穎的和重要的，在本說明書中將在這方面進行確證和論述。下文適當地借助【專利附圖】

【附圖說明】論述了進一步的細節，
[0046]RFPS80安裝在隔室46中，RFPS的電子部件安裝到印刷電路板(PCB) 84和86上，PCB84和86安裝成與金屬冷卻板(冷板)82的相對側熱接觸。優選地，板82本身是鋁制擠出板。PCB具有多層互連，提高了 RFPS的減小的表面積。冷卻板還具有沿著板的相對邊緣的長度加工的凹槽88，這允許RFPS子系統滑入隔室46，跨于其中的軌道52上。冷卻板具有內部冷卻劑通道90A、90B、90C和90D，這些內部冷卻劑通道是在擠出工序中形成的并且彼此平行地延伸貫通冷卻板的長度。在圖5中描繪通道90B和90C插入，下面論述其原因。
[0047]圖5A示意性地圖示出在冷卻板和交叉溝道的擠出過程中形成的縱向溝道90A-D的布置。冷卻板輪廓描繪為虛線的。在板擠出之后，將盲交叉溝道90E、90F和90G鉆入冷卻板。溝道90E將溝道90A和90B連接；溝道90F將溝道90C和90D連接；溝道90G將溝道90B和90C連接。使用適當定位的多個溝道插塞92，如箭頭所指示的迫使進入溝道90D的冷卻流體(冷卻劑流體)沿行經過溝道90D、90F、90C、90G、90B (按所述順序)的通路，經由溝道90A離開。
[0048]現在繼續參照圖5，在擠出殼體40的隔室48中，安置了發明的激光器的放電電極組件94。該組件包括上述的帶電電極70，以及與電極70分隔開的接地電極71，在帶電電極和接地電極之間留有放電間隙73。下面對電極組件及其與RFPS和殼體(用于接地)的連接的額外細節進行進一步說明。然而，圖5中注意到的是RF連接器組件96從隔室46中的RFPS延伸出，通過壁42的絕緣氣密密封件98，將RFPS隔室與電極和諧振器隔室以及光束調節隔室部件分開。下面對隔室48中產生的光束被傳送到隔室50的方式進行進一步說明。
[0049]光束調節部件包括新穎的空間濾波器組件290、通知用戶激光光束是否正在產生的檢測器(圖5中不可見)以及防止在不需要時輸送激光光束的安全遮板(圖5中也不可見)。這些檢測器和遮板布置需要電線線束。保持在凹槽56中的金屬板51提供了用于隔室50中的電線線束(未顯示)的子隔室50A。板51將線束與在光束調節部件中產生的熱進行屏蔽。
[0050]在圖5中，描繪了用于擠出件40的任選的蓋192。還描繪了附接到殼體上用于為激光器提供動力平臺的兩個固定架中的一個(194)。這些特征將在下文進行進一步論述。
[0051]應當牢記，當閱讀該說明書時，僅將電極組件隔室48進行氣密密封。該密封是必要的因為這是收容激光氣體混合物的隔室。需要其他隔室的RF密封來防止RF泄漏出激光器。
[0052]圖6A和圖6B是三維視圖，其示意性地圖示出了圖5的電極組件94的細節以及電極組件與隔室46中的RFPS連接的方式。該組件主要描繪在圖6A中，而圖6B描繪了圖5的發明的擠出殼體40的隔室48中安裝的組件的細節。該組件包括需要使組件與擠出殼體40的集成件兼容的創新之處。
[0053]RFPS最初經由附接到其的銅帶連接器100與該組件的帶電電極70連接。就圖2的現有技術布置而言，該帶與圖2的共同節點29連接，其中還連接了電容器C1和電感器L2。在圖6A和圖6B的布置中，C1是由附圖標記102指示的可變盤形電容器。銅帶100具有與圖2的電感L1相等的分布電感。圖6A中的銅帶104具有圖2的分布電感L2并且通過銅夾具106與氣密密封的通孔98連接，銅夾具106既充當散熱器，又充當到氣密密封的通孔的RF連接件。對于更高功率的激光器(大于大約250W的激光器輸出)，夾具連接應當是液體(流體)冷卻的。提供銅帶108以將RFPS和阻抗匹配網絡與擠出鋁殼體連接。在氣密密封的通孔98上的金屬唇狀件114與在擠出殼體的壁42中加工的凹部116之間提供銦密封件(軟金屬密封件)112(參見圖6B)。
[0054]具有彈簧指接觸器的鈹銅延伸件120安裝到柱96上。這種類型的接觸器詳細描述于轉讓給本發明的受讓人的美國授權前公布N0.US2010/0118901中，該公布的全部內容通過引用合并于本文中。柱以及其上面的彈簧指接觸器通過壁42中的孔隙122插入，彈簧指彈簧擠壓在帶電電極的頂部加工的凹部124的側部。通過與壁42螺紋連接的四個螺釘126將通孔組件保持抵靠殼體的壁42 (參見圖6B)。
[0055]在接地電極71的底部上的長度向下大致中途，圓形的鋁制電接地柱130附接到接地電極的底側。在接地柱130的端部附近，加工了凹形環132，“傾斜盤簧”134被壓入凹形環132中以與擠出殼體30進行接地接觸。接地柱130及其傾斜盤簧134被壓入在殼體40的下內表面中加工的圓形盲孔136中(參見圖6B)。電接地柱的使用、傾斜盤簧壓入激光器系統殼體的底部中的盲孔中，用于實現良好的電接地接觸，是發明的布置，便于將電極組件安裝到擠出鋁制殼體的隔室48中。
[0056]繼續參照圖6A和圖6B，帶電電極70和接地電極71具有凸耳138 (僅兩個，即一對，在圖6A中可見)，周期性地加工成、與電極一體，沿其每一側的長度向下。通過凸耳鉆孔。對于250W的激光器，選擇電極尺寸為1.73英寸寬以及大約32.5英寸長。通過插入到由穿過凸耳中的孔的螺栓142壓到一起的匹配凸耳138之間的圓形的、薄的、陶瓷墊圈140來保持平行朝向的電極之間的間距。計算機分析表明，對于大約32.5英寸的電極長度，在電極每側最少大約四個凸耳對通常在預期電極所經歷的溫度變化范圍內足以所需的平行化。通過改變陶瓷墊圈的厚度來調節電極之間的間距以獲得最佳光束品質和最高的激光器效率。通過四個因素來確定電極之間的間距，其中為RF頻率、氣體混合物組成以及氣體壓力。電極間距通常可通過制造商做實驗來改變，直到獲得良好的激光器光束品質和效率。對于100MHz的RF激勵的片狀激光器而言，大約0.1英寸的間距是由此開始通過實驗手段搜索最佳間距的良好值。
[0057]輔助凸耳144設在空間保持凸耳138之間，用于將電感器線圈146周期性連接在熱電極和接地電極之間且沿其長度向下均勻地分布。通過螺釘148將線圈保持在適當位置上。對于上述的電極參數，大約五個線圈146分布在每對空間保持凸耳138之間。這些電感器線圈的用途是使得沿電極長度的電壓分布平坦化，從而防止在輝光放電時出現“熱”點。
[0058]圖7示意性地圖示出在電極組件94的電極70和71之間延伸的負分支不穩定諧振器的反射性強的、矩形形狀的、硅(Si)、凹形、反饋反射鏡組件150的安裝的細節。反射鏡150沿其邊緣覆蓋有鋁金屬片蓋152，鋁金屬片蓋152具有圍繞矩形中央開口加工的一體板簧以露出反射鏡的反射面。當蓋152經由螺釘156螺紋連接到安裝板中時，保持反射鏡的邊緣向下抵靠安裝板154。附接到反射鏡的屏蔽件164A和164B保護反射鏡免于由于在激光器諧振腔中循環實現從電極產生的波導的變換、通過自由空間到達反射鏡且返回到電極限定的波導所產生的放電破壞。
[0059]如進一步論述的，通過諧振器產生的激光光束經由其端板中的窗口離開電極組件隔室并且由附接到端板的反射鏡引導到光束成形部件隔室。光束最終經由窗口 282從殼體作為輸出輸送。
[0060]安裝板154附接到在鋁制端部法蘭158中加工的柱(圖7中不可見)上。該柱通過在柱被加工之后保留的薄的、柔性隔膜(也不可見)與端部法蘭連接。通過三個螺釘使反射鏡在氣密密封的激光器殼體內對準，三個螺釘定位(也不可見)在氣密密封的激光器殼體之外，推擠柱的端部，從而容許從殼體外對準反射鏡。在下文中參考的其他附圖中描述和描繪了該布置以及相似反射鏡對準布置的進一步的圖示說明。
[0061]通過柔軟金屬C環密封件使端部法蘭(端板)158夾緊擠出的激光器殼體(未示出)，柔軟金屬C環密封件位于加工的凹槽160中，與殼體的對應凹槽(參見圖3的凹槽58)嚙合。端部法蘭夾緊是通過將螺釘162螺紋連接到殼體中來實現的。
[0062]圖7中還描繪了用于殼體的RFPS隔室(圖3中的隔室46)的端蓋170。端蓋170防止RF從RFPS隔室泄漏出去，通過金屬網墊圈172輔助實現。墊圈172被螺釘174壓在蓋170與RFPS的端部之間。靠近RFPS隔室的底部的兩個孔176A和176B蓋住通往沿擠出殼體的冷卻通道的液體冷卻劑入口孔和出口孔(參見圖3的通道62)。插塞178塞住交叉鉆孔的溝道(未顯示)。
[0063]繼續參考圖7，且繼續另外參考圖7A和圖7B，電極組件94經由鋁制彎曲件180附接到擠出件40的隔室48的基底。彎曲件附接到接地電極71且通過成角度的螺釘182附接到隔室48的基底(參見圖7A)。
[0064]在電極組件的諧振器輸出端(圖7B)，電極組件通過堅硬的支架181附接到擠出件40。輸出反射鏡(150A)組件的構造與反射鏡150的相似，包括放電屏蔽件。反射鏡150A組件安裝到端部法蘭158A上，其中能夠看出加工的反射鏡調節柱184 (如上文關于反射鏡150所論述的)；由于加工得到的凹部186 ;以及由于加工得到的法蘭殘留物的隔膜部分188。
[0065]圖8是示意性地圖示出依照本發明的完成的激光器190的三維視圖。這是從激光器的諧振器輸出端看到的。在來自諧振器的光束已經通過光束調節部件之后，激光器的輸出出現在相反端。激光器190包括圖5的任選的蓋192，具有附接到擠出殼體的兩點固定架194和一點固定架196。固定架194和196實際上提供了激光器的動力平臺。
[0066]圖8A示意性地圖示出圖8的集成激光器190的分解三維視圖，蓋192被移除以暴露擠出殼體140。
[0067]設有在擠出殼體中切割而成的三個孔隙或開口 198、200、202和204。顯示具有任選的蓋的開口 198是用于將阻抗匹配網絡和氣密密封的通孔子組件插入RFPS隔室中并且將阻抗匹配網絡和氣密密封的通孔子組件連接。蓋在插入之后附接且起到防止RF從隔室泄漏的作用。開口 198還用于對電極組件隔室鉆孔，用于將RF通孔與帶電電極氣密密封。上述用于接地電極連接的淺的盲孔能夠鉆通形成通孔。
[0068]提供開口 200，用于將發明的空間濾波器組件290 (還參見圖5)插入殼體的光束調節部件隔室。下文進一步描述了該空間濾波器組件的實施方案。
[0069]開口 202用于將光束成形與準直光學透鏡組件插入光束調節組件隔室中并且對其進行調節，并且檢測器的功能是通知用戶IR激光光束是否正由激光器射出。光束成形透鏡是本領域公知的，其詳細說明在此處未提供。開口 204用于插入與檢測器配合的光學安全遮板且用于實現與檢測器配合的光學安全遮板的電連接和調節。開口 200、202和204還用來將電線線束插在電線線束子隔室(圖5中的50A)內。需要如上文所論述的該線束來實現與檢測器和安全遮板的連接，以及需要線束將檢測器與激光器系統控制接口電路系統連接，以及需要線束實現安全遮板的操作。
[0070]圖9是示意性地圖示出如圖7和圖8所描繪的激光器190的端部的放大三維視圖，該端部是包括諧振器輸出反射鏡的激光器的端部。RFPS隔室蓋板170的板具有48VDC輸入連接器210和DC接地連接器212。冷卻流體經由輸入端口 214饋送到激光器中并且在經過了激光器的各部件的蜿蜒路徑之后經由輸出端口 216離開。在下文中對此進行了進一步描述。
[0071]在電子器件隔室蓋217中，以太網連接器218提供了將通/斷命令供給到RFPS以及將開/關命令供給遮板。連接還提供了接收關于DC電流的狀態的信息、轉送和反射RF功率和冷卻劑溫度等。控制接口連接器220和222與隔室(未顯示)中的端板170中的兩個PCB(未示出)連接。這些連接器用于提供脈沖重復頻率(PRF)和調制命令給RFPS，并且獲得關于電壓駐波比(VSWR)故障狀況、RFPS占空比故障狀況、互鎖信號以及激光器功率輸出讀數的信息。
[0072]可調反射鏡保持架224附接到端板158A。反射鏡(未顯示)接收離開諧振器經過諧振器的輸出反射鏡的激光光束并且使光束轉彎大約90°穿過與激光器的電極隔室的壁氣密密封的ZnSe窗(未顯不)。90轉彎后的光束由可調反射鏡保持架226所保持的另一反射鏡(未顯示)接收。該反射鏡再次引導光束經過另外的90°，從而將光束引導到光束調節光學器件隔室，在該隔室中有上述的空間濾波器組件和其他部件。在經過空間濾波器組件之后，光束傳播到復合透鏡(未顯不)，復合透鏡將激光光束準直。從激光器殼體的相對端輸送圓形(截面)準直后的激光光束。
[0073]兩個可拆卸冷卻劑流體歧管228和230附接到蓋158A。這些歧管具有在其中加工或鉆孔的冷卻劑通道以引導冷卻劑通過上述冷卻劑通道:沿殼體擠出件的側部的長度向下且在其內部；通過電極組件的帶電電極和接地電極；通過RFPS冷板中的蜿蜒通道；最后到達圖5中的子隔室50A中的柔性冷卻劑管，用于冷卻隔室以及任選地冷卻光束調節光學器件隔室中的空間濾波器和遮板。
[0074]圖10是示意性地圖示出圖9中描繪的激光器的端部的分解三維視圖，冷卻劑流體歧管228和230從蓋158A上拆除。出口固定件保持架232和234將歧管與電極組件的接地電極的冷卻劑管連接。出口固定件保持架236和238將歧管與電極組件的帶電電極連接。端口 240和242將歧管228和230分別與RFPS冷板中的冷卻劑通道連接。
[0075]圖11是示意性地圖示出來自電極的冷卻劑管能夠借以與激光器殼體氣密密封(此處為與殼體的端板158A氣密密封)從而允許歧管從端板158A拆除而不破壞氣密密封的布置的片斷三維剖視圖。還參考圖10。來自電極的管端部(例如，圖4A-D中的管72A或72B)從端板突出且穿過端口密封塊。此處，出口固定件保持架236的塊235 (參見圖10)用作實施例。突出的管延伸到228內的冷卻通道246。
[0076]塊235中的V型凹槽248具有插入其中的銦環249。當塊235通過螺釘237 (參見圖10)與板158A螺紋連接時，銦被壓入V型凹槽中，在管和端板之間形成密封。當歧管與板螺紋連接時，兩個塑料0型圈250擠壓塊、管和歧管的表面，從而形成液密封。冷卻劑管因此與歧管中的管252和254流體連通，從而再次引導來自管的冷卻劑的流動。
[0077]此處應指出的是，僅僅是因為在管和板之間不需要電絕緣，才使得管與端板之間的該極其有效的銦密封成為可能。這是因為，管延伸和折疊提供了足夠高的電感，而無需這種絕緣，如尚未參照圖4A-D所描述的。
[0078]圖12類似于圖9，但是示意性地描繪了經過歧管228和230的流體冷卻劑路徑以及歧管對于將冷卻劑從單入口分布到單出口的作用。另外參照圖5。冷卻劑流開始于輸入端口 214，如箭頭259所示，并且沿擠出殼體冷卻劑通道62A的長度向下繼續進行(參見圖5)。在激光器的相對端處的端蓋中，設有將圖5的冷卻劑通道62A與圖5的通道62B連接的水平通道。冷卻劑通過通道62B流回到歧管228，如圖12中箭頭260所指示。
[0079]歧管228經由端口 236和232 (參見圖10)引導冷卻劑流經過歧管(參見圖11)的管252和254進入帶電電極和接地電極的各自的冷卻劑管，如箭頭262和264所指示的。冷卻劑流經電極且進入歧管230，如箭頭266和268所指示。歧管230合流并且經由端板(參見圖10)的端口 242將合流向上引導到RFPS冷板，如箭頭270所指示的。在RFPS冷板(冷卻板)中，冷卻劑在從冷卻劑出口 216離開之前實現了圖5A所描繪的四次縱向通過，如箭頭272所指示。
[0080]如果需要對光束調節部件隔室中的部件進行冷卻，則可以使得輸入的冷卻劑抽出，將其引導到圖5的子隔室50A中的柔性塑料管中。該冷卻劑將通過對應的連接返回且與其他冷卻劑一起在殼體的相對端順流而下進入歧管228。為圖示簡化，未示出該布置。可行地，可以為隔室50A的部件設置單獨的冷卻劑回路。
[0081]圖13是示意性地示出了與圖9所描繪的端部相對的激光器190端部的擴大三維視圖。該視圖對應于圖7和圖7A的“內部”詳細視圖。提到的部件包括用于反射性強的反射鏡150的端板158中的調節柱184A(參見圖7和圖7A)。激光器190的輸出通過板280中窗口 282，蓋住光束調節光學器件隔室。導管284具有三個功能。一個功能是用于電極組件隔室的泵出端口。另一功能是用于隔室的激光器氣體填充端口。再一功能是在激光器氣體填充之后用于氣密密封諧振器組件隔室內的激光器氣體混合物的“夾斷”端口。
[0082]現在轉到光束調節部件隔室的部件，一個特別重要的部件是上述的空間濾波器組件，其是對從激光器諧振器輸出的光束剝離不需要的過剩模態所需的。在現有技術的co2片狀激光器中，該空間濾波器用于此用途。然而，為了與本發明的激光器的緊湊布置相容，需要對空間濾波器組件重新進行創造性設計。重新設計的一個原因在于，需要經由激光器殼體擠出件的側開口 200 (參見圖8A)，即僅從組件的一側，來調節光束調節光學器件隔室中的組件。另一原因在于，能夠將組件安裝到安裝光束調節光學器件隔室的燕尾形軌道54(參見圖3)上。重新設計的再一原因是，提供組件的任選的流體冷卻，如上文所論述的。
[0083]圖14是用于本發明的激光器的重新設計的空間濾波器組件的一個實施例290的分解三維視圖。加工的空間濾波器殼體塊282包括倒置的燕尾形構件294，其能夠滑入圖3的燕尾形軌道54中。該組件能夠通過與構件294的各端上的孔296螺紋連接的螺釘(未顯示)而鎖定在軌道上的適當位置。
[0084]銅插件298A和298B具有分別在其上面加工的刀刃300A和300B。該組件的所有其他零件可由鋁制成。插件298A和298B插入空間濾波器殼體塊292的開口 302中。銅插件的與刀刃相對的端部通過與空間濾波器殼體塊螺紋連接且與插件的相對端中的孔306A和306B螺紋連接的兩套螺釘304A和304B保持在開口 302內的適當位置。螺釘304A和304B確定了插件位于開口 302內多遠。
[0085]其上面具有水平加工的刀刃310的金屬刀刃推件308插入到空間濾波器殼體塊292中的槽口 312中。刀刃推件通過兩個長螺釘314保持在適當位置，兩個長螺釘314螺紋連接到塊292中的孔316中且連接到刀刃推件308中的兩個螺紋盲孔318中。這兩個長螺釘將推件的刀刃310地靠刀刃的背部300A保持在插件298A上。
[0086]具有對開螺母322的螺釘320螺紋連接到空間濾波器殼體塊中的孔324中。該螺釘用作插件298B的刀刃300B的組合推件與止擋件，用于調節該刀刃的位置。與推件308配合的兩個長螺釘314用于調節插件298A的刀刃300A的位置。這允許通過激光器殼體擠出件中的對應孔隙、從組件290的一側能夠調節刀刃(形成空間濾波器)。
[0087]鎖板蓋326通過螺釘328保持在空間濾波器殼體塊上的適當位置。在完成刀刃調節之后，鎖板蓋固定調節螺釘314和320的位置。流體冷卻塊330能夠用于任選的流體冷卻。冷卻劑被輸送且通過固定件332和334提取出，并且在塊中循環通過溝道(未顯示)。冷卻塊被三個螺釘336夾緊到空間濾波器殼體塊上。
[0088]通過圖15 (完成組裝形式的三維視圖)、圖15A (完成組裝形式的側面正視圖)、圖15B(大致沿圖15A中的方向A-A看到的剖視圖)以及圖15C(大致沿圖15A中的B-B看到的剖視圖)進一步示意性地圖示出組件290。從剖視中能夠特別清楚滴看到調節螺釘314和320的動作。
[0089]圖16是示意性地圖示出適用于本發明的緊湊型激光器的空間濾波器組件的另一實施例340的分解三維視圖。圖17是以組裝形式的組件340的縱向剖視圖。參考這兩幅圖有利于下面的詳細說明。
[0090]組件340包括空間濾波器殼體塊342，其具有在背面上加工的V型凹槽構件344，用于安裝圖3中的組件的燕尾形軌道。提供在各冊的螺紋孔346，用于通過螺釘(未顯示)將組件牢固地抵靠軌道而保持。一個空間濾波器元件350是通過匹配銅柱狀體354中的槽口 352而形成的，在柱狀體上留有上部356、下部358和第一空間濾波器表面353。在柱狀體的上部加工出凹槽或槽口 360。先插入壓縮彈簧364，然后空間濾波器元件350插入殼體342中的部分螺紋孔362中。該元件在孔的無螺紋部分中是滑動緊密配合的。銷348用于嚙合槽口 360，用于垂直地固定空間濾波器組件350的取向(參見圖17)。該取向使得經由其中的孔隙366橫穿殼體的激光光束能夠通過空間濾波器元件中的槽口。
[0091]還由銅柱狀體加工出另一空間濾波器元件370。在柱狀體的端部上加工圓形平坦表面372，形成第二空間濾波器表面。柱狀體的與表面372相對的端部374帶螺紋。元件370插入元件350中的槽口 352。元件350的表面353和元件350的表面372形成了空間濾波器間隙，指示為圖17中的間隙376。
[0092]元件370的帶螺紋端374克服壓縮彈簧382的作用而與柱狀體380內的匹配螺紋螺紋接合。柱狀體380的外部帶有螺紋，用于嚙合孔的螺紋部分(參見圖17)。元件370在其與空間濾波器表面372相對的端部具有螺絲刀槽口 378。該槽口可通過柱狀體380端部中的孔隙384接近。柱狀體380的該端部中具有槽口 386以允許通過諸如大型螺絲刀等平坦帶刃工具來轉動柱狀體。
[0093]特別是從圖17中能夠看出，將柱狀體360旋入或旋出孔362，配合彈簧364，調節空間濾波器表面353在殼體中的位置。將元件370旋入或旋出柱狀體380調節空間濾波器表面372的位置。空間濾波器組件是通過鋁制鎖定固位件388和與殼體342中的對應的、帶螺紋的盲孔螺紋連接的螺釘389而保持在一起的。冷卻塊390通過螺釘392附接到殼體342。冷卻塊具有經由入口 394和固定件396流體可達的內部溝道(未顯示)。在冷卻塊中加工的槽口 398為將殼體的光束調節光學器件隔室劃分成兩個子隔室的金屬片提供額外支撐(參見圖5)。
[0094]上文結合優選的實施方案對本發明進行了描述。然而，本發明不限于所描述和所圖示的實施方案。相反，實施方案是由隨附的權利要求書限定的。
【權利要求】
1.CO2射頻(RF)氣體放電激光器裝置，包括: 激光器殼體，其由細長金屬擠出件細長，所述擠出件構造為允許冷卻劑流體通過其中以便冷卻所述殼體； 第一和第二細長放電電極，其位于所述激光器殼體中，彼此間隔開且平行，在它們之間限定了放電間隙，所述第一電極充當帶電電極，所述第二電極充當接地電極，所述放電電極構造為容許冷卻劑流體通過其中以便冷卻所述電極； 第一和第二諧振器反射鏡，其限定了延伸貫通所述放電電極之間的放電間隙的激光器諧振器；以及 射頻電源(RFPS)和阻抗匹配網絡，它們位于所述激光器殼體中，用于將RF電力供給到所述電極，在所述放電間隙中產生RF放電，使得在所述激光器諧振器中產生激光光束并且從所述激光器諧振器輸送所述激光光束，所述RFPS組裝到細長金屬安裝板上，所述細長金屬安裝板構造為容許冷卻劑流體通過其中以便冷卻組裝到其上的所述RFPS。
2.如權利要求1所述的裝置，還包括用于將通過所述金屬擠出件、所述電極和所述RFPS的所述金屬安裝板的冷卻劑流體通道組合到具有單個冷卻劑流體入口和單個冷卻劑流體出口的冷卻劑回路中的布置。
3.如權利要求2所述的裝置，其中所述冷卻劑回路布置成使得輸送到所述冷卻劑入口的所述冷卻劑流體在經由所述冷卻劑出口離開所述冷卻劑回路之前順序地流經所述金屬殼體擠出件、經過所述電極以及經過所述RFPS的所述金屬安裝板。
4.如權利要求3所述的裝置，其中所述殼體擠出件具有第一和第二相對外壁，所述殼體擠出件的所述冷卻劑通道布置包括在所述殼體的所述第一外壁的長度內且沿著所述殼體的所述第一外壁的長度延伸的第一冷卻劑溝道以及在所述殼體的所述第二外壁的長度內且沿著所述殼體的所述第二外壁的長度延伸的第二冷卻劑溝道。
5.如權利要求3所述的裝置，其中所述電極的所述冷卻劑通道布置包括分別穿過所述第一和第二放電電極的第一和第二冷卻管。
6.如權利要求5所述的裝置，其中所述第一和第二冷卻管中的每一個在其同一端處進入和離開對應的電極。
7.如權利要求3所述的裝置，其中所述RFPS安裝板的所述冷卻劑通道布置包括沿著所述細長安裝板的長度延伸的第一多個縱向冷卻劑溝道以及沿著所述安裝板的寬度延伸的第二多個橫向冷卻劑溝道，所述溝道布置成使得冷卻劑流體進入一個所述縱向冷卻劑溝道并且在沿行通過其余溝道的蜿蜒路徑之后離開另一所述縱向冷卻劑溝道。
8.如權利要求7所述的裝置，其中存在四個縱向溝道和三個橫向溝道，這些溝道布置成使得所述冷卻劑流體在其同一端處進入和離開所述安裝板。
9.如權利要求1所述的裝置，其中所述殼體擠出件具有布置成將所述殼體劃分成第一、第二和第三縱向延伸隔室的縱向延伸的內壁，所述RFPS位于所述第一隔室中，所述電極和諧振器反射鏡位于所述第二隔室中，其中通過所述諧振器產生、輸送的激光光束通過第一隔室中的窗口離開所述第一隔室并且由附接到所述殼體的第一和第二反射鏡引導到所述第三隔室中。
10.如權利要求9所述的裝置，還包括位于所述第三隔室中的空間濾波器組件，所述空間濾波器組件具有兩個可調濾波器構件，在所述兩個可調濾波器構件之間布置有間隙，激光光束通過所述間隙以從中剝離不期望的模態，所述濾波器構件的橫向位置可獨立調節以改變所述間隙的寬度和位置。
11.如權利要求10所述的裝置，其中在所述第三隔室的側部有孔隙，所述孔隙提供到所述空間濾波器組件的通路，并且其中所述空間濾波器組件構造為使得所述濾波器構件的可獨立調節能夠從所述空間濾波器組件的朝向所述孔隙的一側進行。
12.如權利要求9所述的裝置，其中所述第一隔室通過第一和第二金屬端板氣密密封，所述第一和第二金屬端板經由軟金屬密封元件附接到所述殼體。
13.如權利要求12所述的裝置，其中所述第一電極冷卻構造包括延伸貫通的細長U型金屬管，所述金屬管的第一和第二端部從所述電極的同一端延伸出且分別提供所述冷卻劑流體的輸入導管和輸出導管，所述端部經兩次折疊而回到其自身之上，然后延伸通過所述第一金屬端板，經由軟金屬密封件與所述第一金屬端板密封，選擇所述金屬的兩次折疊端部的在所述電極和所述金屬端板之間的長度以使所述管的兩次折疊端部在所述RFPS的工作頻率下具有足夠高的電感，從而防止RF電力從所述第一電極經由所述管大量泄漏到所述金屬端板。
14.用于修正通過其中的激光光束的空間模態的濾波器，包括: 殼體，其具有用于發射所述激光光束的孔隙； 第一元件，其安裝到所述殼體并且具有垂直于所述激光光束的傳播軸線取向的第一邊緣； 第二元件，其安裝到所述殼體并且具有垂直于所述激光光束的傳播軸線取向的第二邊緣，所述第一和第二邊緣彼此平行且彼此間隔開，所述光束的中心軸線穿過所述第一邊緣和第二邊緣之間；以及 能夠從所述殼體的一側接近的器件，其用于獨立地沿垂直于所述光束的傳播軸線的方向移動所述第一和第二元件以增大或減小所述刀具邊緣之間的間距，所述器件構造為使得當所述刀具邊緣之間的間距被調節時，所述光束不受阻礙。
15.如權利要求14所述的濾波器，其中所述器件包括第一螺釘，所述第一螺釘直接偏壓所述第一構件以便當緊固時，所述第一元件朝向所述第二元件移動，所述器件還包括位于所述第二元件之后的推動元件，所述器件還包括第二螺釘，所述第二螺釘與所述推動元件嚙合以便當緊固時，所述第二元件朝向所述第一元件移動。
16.如權利要求14所述的濾波器，其中所述器件包括筒狀部，所述第一元件被收納在所述筒狀部中，所述筒狀部的內表面和所述第一元件的外表面通過螺紋連接以使所述第一元件在所述筒狀部內的旋轉移動所述第一元件，從而改變所述第一邊緣和第二邊緣之間的間距，所述筒狀部還開始偏壓所述第二元件以使所述筒狀部的軸向移動將使得所述第二元件移動且改變所述第一和第二邊緣之間的間距。
17.用于修正穿過其中的激光光束的空間模態的濾波器，包括: 殼體，其具有用于發射所述激光光束的孔隙； 第一元件，其安裝到所述殼體上且具有垂直于所述激光光束的傳播軸線取向的第一邊緣； 第二元件，其安裝到所述殼體上并且具有垂直于所述激光光束的傳播軸線取向的第二邊緣，所述第一和第二邊緣彼此平行且間隔開，所述光束的中心軸線穿過所述第一和第二邊緣之間； 推動元件，其位于所述殼體內，定位成災其與所述第一元件相對的一側與所述第二元件嚙合； 第一偏壓構件，其從所述殼體的更靠近所述第一元件的一側延伸出，所述第一偏壓構件延伸到所述殼體中并且與所述第一元件相接觸并且不止成使得所述第一偏壓構件的調節引起所述第一邊緣更靠近或更遠離所述第二邊緣而移動；以及 第二偏壓構件，其從所述殼體的與所述第一偏壓構件相同的一側延伸出，并且延伸到所述殼體中且與所述推動元件嚙合，而不穿過所述激光光束被發射和布置而使得所述第二偏壓構件的調節引起所述第二邊緣更靠近或更遠離所述第一邊緣而移動的區域。
【文檔編號】H01S3/04GK104396100SQ201380018650
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年3月22日 優先權日:2012年3月30日
【發明者】L·A·紐曼, A·帕帕尼德, M·D·魯茲維奇, T·V·小亨尼西 申請人:相干公司