[发明专利]一种高功率射频板条CO2激光器电极非均匀水冷网格结构

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，针对新一代高功率射频板条CO₂激光器，设计一种专用水冷结构，实现电极最佳冷却，确保激光器稳定运行。

背景技术

高功率射频板条CO₂激光器是指功率在2000-5000瓦的激光器，该类激光器结构紧凑小巧，光束质量高，是目前所有千瓦级以上其它CO₂激光器均无法达到的，在中厚板切割和焊接领域具有重要应用，代表了CO₂激光器发展方向。射频板条CO₂激光器的波导电极，在冷却不充分或不均匀时都会导致电极表面出现热变形，严重影响激光光束质量、光电转换效率、输出功率。热问题一直是制约激光器朝高功率、高光束质量与高稳定性方向发展的重要因素，放电气体的温度上升对输出功率的影响有两个方面：(1)气体温度升高使CO₂分子的跃迁谱线加宽，从而导致激光受激截面减小；(2)气体温升导致激光上能级粒子的消激发速率上升，下能级粒子的热激发速率增加，两者的结果导致反转粒子数密度下降，使小信号增益系数减小，从而使输出功率下降。

水冷是大功率激光器常用的冷却方法，高温的放电气体通过热传导的形式将热量传给电极壁，电极通过热传导的方式将热量再传给电极的水道表面，再通过水道中循环流动的冷却水与极板间的传导对流将热量带走。高功率射频板条CO₂激光器工作时单位时间发热较多，且激光器输出对电极表面的形变很敏感。因而，在工程实践中，采用在电极板内加工水冷槽的方案来达到散热冷却的目的。平板电极的冷却水流道散热是确保激光器长期稳定运行的重要环节，其水冷结构的设计有着重要意义。

现有水冷技术中，电极板内的水通道结构如图1所示，出口用金属焊接真空封接形成U型冷却水通道。冷却水由入水口进入，通过电极的水槽通道，由出水口流出，将放电区气体热量传导给电极板，由冷却水带走，实现放电区气体和电极板的冷却。由U型水道结构变化而来，如图2所示是一种S型结构，由10个水道构成，其中进水道和出水道没有完全打通，其它8个水道由金属焊接真空封接。

U型水冷道水道过少，且在电极板发热最多的中心地带没有水流道，冷却效果比较差。S型水流道是一种沿中心对称分布的结构，如果热量在极板平面分布不均匀，采用此结构则冷却效果会明显降低。现有水流道为均匀流道、均匀分布，并且流道较长，冷却效果不佳，会影响激光光束质量、光电转换效率、输出功率等参数。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种射频板条CO2激光器电极非均匀网格水冷结构，通过采用非均匀宽窄流道，确保板条电极冷却均匀。主要发明内容如下：

一种高功率板条CO₂激光器电极非均匀水冷网格结构，包括进水口5、出水口6和直线水流道3，多个直线水流道3平行开凿于电极板的内部，各直线水流道3两端分别汇聚到进水口5和出水口6，其特征在于：

所述各个直线水流道3的横截面尺寸是不相同的，在垂直于水流道3方向上，越靠近电极板中间部位的直线水流道3越细，越靠近电极板边缘的水流道越粗；进水口5和出水口6的截面积，均大于或等于各个直线水流道3的截面积之和。

进一步的，所述的非均匀水冷网格结构电极板2中部垂直于水流道方向设有一个均压水槽1，其为连通各个直线水流道3的直线水槽，水槽截面积与中间水流道4的截面积相当，用于连通各个直线水流道，使各条水流道保持水压一致，使水流能够顺利通过各个直线水流道。。

进一步的，所述的非均匀水冷网格结构进水口6与出水口5分别设在直线水流道的两端，散热更加均匀。

进一步的，所述的非均匀水冷网格结构的均压水槽1、水流道3、进水口5和出水口6在金属电极内部铣出，尺寸因极板尺寸而定，散热效果更好。

采用这种设计结构，水流能够覆盖整个电极板，且不同水流道的直径不同，能够均匀地使电极板散热，电极板冷却更均匀，提高冷却效率，激光器工作更稳定，提高激光输出的稳定性。通过将多个流道设计成并联的方式，增大冷却水与金属电极的接触面积，使电极中心、边缘和对角得到均匀的冷却效果。基于本发明的思想，可以避免现有U形、S形、W形冷却水流道冷却不均匀问题，提升冷却效果，保证冷却的均匀性。此外，本发明的思想可以指导其他领域的高发热、高冷却要求的金属器件的散热水流道结构的设计。

附图说明

图1是U型冷却水流通道结构示意图；

图2是S型冷却水流道结构示意图；