激光器電極非均勻水冷網格結構的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于激光技術領域，針對新一代高功率射頻板條0)2激光器，設計一種專用水冷結構，實現電極最佳冷卻，確保激光器穩定運行。
【背景技術】
[0002]高功率射頻板條C02激光器是指功率在2000-5000瓦的激光器，該類激光器結構緊湊小巧，光束質量高，是目前所有千瓦級以上其它C02激光器均無法達到的，在中厚板切割和焊接領域具有重要應用，代表了 C02激光器發展方向。射頻板條0)2激光器的波導電極，在冷卻不充分或不均勻時都會導致電極表面出現熱變形，嚴重影響激光光束質量、光電轉換效率、輸出功率。熱問題一直是制約激光器朝高功率、高光束質量與高穩定性方向發展的重要因素，放電氣體的溫度上升對輸出功率的影響有兩個方面:(1)氣體溫度升高使co2分子的躍迀譜線加寬，從而導致激光受激截面減小；(2)氣體溫升導致激光上能級粒子的消激發速率上升，下能級粒子的熱激發速率增加，兩者的結果導致反轉粒子數密度下降，使小信號增益系數減小，從而使輸出功率下降。
[0003]水冷是大功率激光器常用的冷卻方法，高溫的放電氣體通過熱傳導的形式將熱量傳給電極壁，電極通過熱傳導的方式將熱量再傳給電極的水道表面，再通過水道中循環流動的冷卻水與極板間的傳導對流將熱量帶走。高功率射頻板條0)2激光器工作時單位時間發熱較多，且激光器輸出對電極表面的形變很敏感。因而，在工程實踐中，采用在電極板內加工水冷槽的方案來達到散熱冷卻的目的。平板電極的冷卻水流道散熱是確保激光器長期穩定運行的重要環節，其水冷結構的設計有著重要意義。
[0004]現有水冷技術中，電極板內的水通道結構如圖1所示，出口用金屬焊接真空封接形成U型冷卻水通道。冷卻水由入水口進入，通過電極的水槽通道，由出水口流出，將放電區氣體熱量傳導給電極板，由冷卻水帶走，實現放電區氣體和電極板的冷卻。由U型水道結構變化而來，如圖2所示是一種S型結構，由10個水道構成，其中進水道和出水道沒有完全打通，其它8個水道由金屬焊接真空封接。
[0005]U型水冷道水道過少，且在電極板發熱最多的中心地帶沒有水流道，冷卻效果比較差。S型水流道是一種沿中心對稱分布的結構，如果熱量在極板平面分布不均勻，采用此結構則冷卻效果會明顯降低。現有水流道為均勻流道、均勻分布，并且流道較長，冷卻效果不佳，會影響激光光束質量、光電轉換效率、輸出功率等參數。
【發明內容】
[0006]針對上述問題，本發明提出一種射頻板條C02激光器電極非均勻網格水冷結構，通過采用非均勻寬窄流道，確保板條電極冷卻均勻。主要
【發明內容】
如下:
[0007]—種高功率板條C02激光器電極非均勻水冷網格結構，包括進水口 5、出水口 6和直線水流道3，多個直線水流道3平行開鑿于電極板的內部，各直線水流道3兩端分別匯聚到進水口 5和出水口 6，其特征在于:
[0008]所述各個直線水流道3的橫截面尺寸是不相同的，在垂直于水流道3方向上，越靠近電極板中間部位的直線水流道3越細，越靠近電極板邊緣的水流道越粗；進水口 5和出水口 6的截面積，均大于或等于各個直線水流道3的截面積之和。
[0009]進一步的，所述的非均勻水冷網格結構電極板2中部垂直于水流道方向設有一個均壓水槽1，其為連通各個直線水流道3的直線水槽，水槽截面積與中間水流道4的截面積相當，用于連通各個直線水流道，使各條水流道保持水壓一致，使水流能夠順利通過各個直線水流道。。
[0010]進一步的，所述的非均勻水冷網格結構進水口 6與出水口 5分別設在直線水流道的兩端，散熱更加均勻。
[0011]進一步的，所述的非均勻水冷網格結構的均壓水槽1、水流道3、進水口 5和出水口6在金屬電極內部銑出，尺寸因極板尺寸而定，散熱效果更好。
[0012]采用這種設計結構，水流能夠覆蓋整個電極板，且不同水流道的直徑不同，能夠均勻地使電極板散熱，電極板冷卻更均勻，提高冷卻效率，激光器工作更穩定，提高激光輸出的穩定性。通過將多個流道設計成并聯的方式，增大冷卻水與金屬電極的接觸面積，使電極中心、邊緣和對角得到均勻的冷卻效果。基于本發明的思想，可以避免現有U形、S形、W形冷卻水流道冷卻不均勻問題，提升冷卻效果，保證冷卻的均勻性。此外，本發明的思想可以指導其他領域的高發熱、高冷卻要求的金屬器件的散熱水流道結構的設計。
【附圖說明】
[0013]圖1是U型冷卻水流通道結構示意圖；
[0014]圖2是S型冷卻水流道結構示意圖；
[0015]圖3是本專利設計的多通道的水流道結構示意圖:1_均壓水道，2-放電電極，3-直線水流道，4-中間水流道，5-出水口，6-進水口，7-均壓水道切口面，8-水槽蓋板；
[0016]圖4是均壓水槽部分放大圖，中間有虛線的是直線水流道，陰影部分為電極板剖面，中間連通直線水流道的是均壓水槽。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0018]在平板大面積放電結構的激光器中，主要是通過放電氣體的擴散來使氣體得到冷卻的。由放電氣體擴散所散發出來的熱量，傳輸到兩個相距很近的金屬電極上，然后被電極內流動的冷卻液帶走，包括工作氣體和金屬板的傳熱以及液體的流動傳熱。
[0019]為了實現有效的冷卻，提高射頻板條C02激光器的轉換效率，一般采用平行相對布放的兩電極板同時水冷方式的并聯型水冷裝置。本實施例涉及一種多通道的水流道結構，如圖3所示。
[0020]該水流道的結構特點如下:一個進水口 6與出水口 5，7條直線水流道3平行排布在電極板中，兩端匯聚到進、出水口，在電極板中央垂直于水流道有一段均壓水槽1。進水口6與出水口 5設在直線水流道的兩端，相比于通常采用的靠邊位置，這種設計使水流道長度更加均勻，減小水阻，使水流更加穩定；
[0021]考慮工程實踐中存在的電極對角溫度過高、最大溫差過大、平均溫度過高等問題，本實施例采用7個流道并聯的方式，增大冷卻水與金屬電極的接觸面積，使電極中心、邊緣和對角得到均勻的冷卻效果。
[0022]直線水流道3直徑的分布遵循以下規律:中間水流道4直徑最小，越靠近電極板邊緣，直線水流道直徑越大。這種設計促使進水口進水時，由于水壓原因，不會僅僅從中間水流道流過，而是會從所有直線水流道流過，這樣能夠使電極板各個部位都能夠散熱；
[0023]電極板2中央垂直于水流道設計了一個均壓水槽1，均壓水槽1如圖4，它連接著所有直線水流道，在各個直線水流道3中的冷卻水在電極板中央時，水流通過均壓水槽1連通，其作用是使各條水流道保持水壓一致，避免水流“短路”。
[0024]為了保證各通道內冷卻水的有效流通，要求冷卻水入口截面積與冷卻水出口的截面積大于或等于各通道的截面積之和。
[0025]本實施例中，直線水流道3總橫截面寬度占電極寬度的36.4%，冷卻水流道覆蓋面較大。平板電極最大溫差約為8°C，滿足散熱要求。采用這種設計結構，能夠均勻地使電極板散熱，電極板冷卻更均勻，提高冷卻效率，激光器工作更穩定，提高激光輸出的穩定性。
[0026]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種高功率板條CO 2激光器電極非均勻水冷網格結構，包括進水口(5)、出水口(6)和直線水流道(3)，多個直線水流道(3)平行開鑿于電極板的內部，各直線水流道(3)兩端分別匯聚到進水口(5)和出水口(6)，其特征在于: 所述各個直線水流道(3)的橫截面尺寸是不相同的，在垂直于水流道(3)方向上，越靠近電極板中間部位的直線水流道(3)越細，越靠近電極板邊緣的水流道越粗；進水口(5)和出水口(6)的截面積，均大于或等于各個直線水流道(3)的截面積之和。2.根據權利要求1所述的非均勻水冷網格結構，其特征在于，電極板(2)中部垂直于水流道方向設有一個均壓水槽(1)，其為連通各個直線水流道(3)的直線水槽，水槽截面積與中間水流道(4)的截面積相當，用于連通各個直線水流道，使各條水流道保持水壓一致。3.根據權利要求1或2所述的非均勻水冷網格結構，其特征在于，進水口(6)與出水口(5)分別設在直線水流道的兩端。4.根據權利要求1或2所述的非均勻水冷網格結構，其特征在于，均壓水槽(1)、水流道(3)、進水口(5)和出水口(6)在金屬電極內部銑出，尺寸因極板尺寸而定。
【專利摘要】本發明公開了高功率板條CO2激光器平板電極的一種冷卻水流道結構。采用在電極內部加工水冷槽作為冷卻水的流道的技術方案，將水流道設計為非均勻網格，改進了現有U形、S形和蛇形流道結構，具有網格結構非均勻、散熱效率高、散熱均勻性好特點。本發明是在大量工程實踐的基礎上，提出的冷卻水流道結構設計的最優方案，可推廣用于大部分高發熱金屬器件的散熱。
【IPC分類】H01S3/041
【公開號】CN105322418
【申請號】CN201510822714
【發明人】唐霞輝, 萬辰皓, 秦應雄, 王度, 夏燃, 龍思琛
【申請人】華中科技大學
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2015年11月23日