專利名稱：強(qiáng)激光石墨光闌及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于強(qiáng)激光傳輸光路的光束控制元件及其制造方法。
背景技術(shù)：
光闌被廣泛應(yīng)用于激光傳輸光路中，對入射光束進(jìn)行通斷控制以得到符合要求的光束直徑和光斑形狀。目前常用光闌主要由金屬材料制成，加工為圓片狀，根據(jù)需要圓片中 心開有小孔，利用小孔對入射光束進(jìn)行通過與阻擋控制。另外，光闌也可由非金屬材料制 成，具體材料可以為塑料、聚四氟乙烯等，此類材料主要制作軟邊光闌以減小對傳輸中光束 質(zhì)量的影響。現(xiàn)有技術(shù)在對高功率(千瓦級)和高能激光等強(qiáng)激光束進(jìn)行控制時，光闌無法耐 受強(qiáng)激光束的輻照而會被損壞。隨著強(qiáng)激光技術(shù)的快速發(fā)展，強(qiáng)激光源將在科學(xué)研究和工 業(yè)加工等諸多領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，相應(yīng)對于強(qiáng)激光束傳輸中光束直徑和光斑控制提 出了越來越高的要求。目前，對于強(qiáng)激光束的應(yīng)用，通常是將現(xiàn)有金屬光闌的材料變厚，個體變大，以提高光闌耐受激光輻照破壞的能力，此種方法難以滿足功率/能量不斷提高的激光束應(yīng)用要 求。同時，現(xiàn)有光闌在對激光束進(jìn)行阻擋時會產(chǎn)生反射或散射光束，在強(qiáng)激光應(yīng)用場合，會 對操作人員帶來一定危險。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種適用于強(qiáng)激光傳輸光路中進(jìn)行光束直徑和光斑形狀控制的石墨光闌及其制造方法，以解決現(xiàn)有光闌無法耐受強(qiáng)激光輻照，對傳輸光束質(zhì)量影響較 大的技術(shù)問題。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種強(qiáng)激光石墨光闌， 其特征在于，包括石墨體和熱沉，所述石墨體中心開有圓臺形通光孔，該通光孔的圓臺底正 對入射激光光束方向；該通光孔的圓臺頂半徑為Rl ；所述熱沉中心開有半徑為R2的圓柱通 光孔，R2大于R1，石墨體通過聯(lián)接段嵌入熱沉前端面，使熱沉包在石墨體聯(lián)接段外周。上述方案中，所述圓臺形通光孔的圓錐角小于90°。所述熱沉內(nèi)開有循環(huán)水道連通側(cè)周的入口和出口，冷卻水從入口流入熱沉，經(jīng)循環(huán)水道從出口流出，實(shí)現(xiàn)對熱沉的冷卻 散熱。一種強(qiáng)激光石墨光闌的制造方法，其特征在于，包括下述步驟1]采用數(shù)控車床將高純石墨加工成圓片，圓片厚度為圓片直徑的五分之一 ；2]在圓片中心加工圓臺形通光 孔，該通光孔的圓臺底正對入射激光光束方向；該通光孔的圓臺頂半徑為Rl ；直徑2R1是圓 片直徑的十分之一 ；3]在圓片圓周上加工螺紋形成聯(lián)接段，用于與熱沉進(jìn)行緊密聯(lián)接，至 此，石墨體加工完畢；4]采用數(shù)控車床將純銅棒料加工成圓柱銅體；5]在銅體中心加工半 徑為R2的圓柱通光孔，R2大于Rl ；6]在銅體前端面加工凹進(jìn)，該凹進(jìn)內(nèi)周加工螺紋，至此， 熱沉加工完畢；7]將石墨體聯(lián)接段螺紋旋入熱沉前端面，使熱沉包在石墨體聯(lián)接段外周。
上述方法中，所述圓柱銅體包括熱沉內(nèi)體和外罩體，在內(nèi)體外周和外罩體內(nèi)周分 別加工位置相對的循環(huán)水槽，之后將內(nèi)體和外罩體采用焊接形式封裝，使循環(huán)水槽形成循 環(huán)水道。所述圓臺形通光孔的圓錐角小于90°。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、可以解決強(qiáng)激光束傳輸中光束直徑及光斑 形狀控制的難題，保證了光闌在對強(qiáng)激光束進(jìn)行通光控制時不被輻照破壞；此光闌由高純 石墨材料構(gòu)成，利用高純石墨耐高溫?zé)g(升華點(diǎn)高達(dá)3700°c )，易加工等優(yōu)點(diǎn)，提高了光 闌抗激光輻照損傷能力。2、石墨體上通光孔大小和形狀均可根據(jù)需要設(shè)計(jì)，石墨體加工簡單，易于滿足不 同直徑和不同光斑形狀需求的激光束應(yīng)用要求。3、石墨體對入射激光吸收率高(吸收率高于90%)，避免了被阻擋激光束的散射， 消除了光路傳輸中的雜散光，凈化了光路，降低了對操作人員的危害；4、熱沉可有效對石墨 體進(jìn)行散熱，提高石墨體耐受強(qiáng)激光輻照能力，同時可進(jìn)一步利用循環(huán)水對熱沉散熱，滿足 今后更高功率/能量強(qiáng)激光束應(yīng)用；5、石墨與熱沉共同構(gòu)成強(qiáng)激光石墨光闌，其中石墨體 部分易加工、造價低，長時間使用后方便單獨(dú)進(jìn)行更換，而熱沉體仍可使用，可以降低工業(yè) 應(yīng)用的成本。綜上，采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的石墨光闌，具有耐受激光輻照破壞力強(qiáng)，對傳輸光束影響 小的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于利用激光進(jìn)行科學(xué)研究、工業(yè)加工等的場合，實(shí)現(xiàn)對激光束直徑 和光斑形狀的控制，尤其能夠滿足強(qiáng)激光傳輸控制的應(yīng)用，具有較廣泛的應(yīng)用前景和較高 的經(jīng)濟(jì)價值。


圖1是本發(fā)明強(qiáng)激光石墨光闌的正視圖。圖2是圖1的A-A剖面圖；圖3是圖1強(qiáng)激光石墨光闌的工作原理圖；圖1至圖 3中1-石墨體，2-石墨體通光孔，3-聯(lián)接段，4-熱沉，5-熱沉通光孔，6-熱沉循環(huán)水入口， 7-循環(huán)水道，8-熱沉循環(huán)水出口，9-入射光束，10-出射光束。
具體實(shí)施例方式如圖1和圖2所示，本發(fā)明強(qiáng)激光石墨光闌主體為一個半徑為R，厚度為H的石墨 體1，石墨體中心開有通光孔2，其半徑為Rl，石墨體通過聯(lián)接段3嵌入熱沉4前端面，使熱 沉包在石墨體聯(lián)接段外周。熱沉中心開有熱沉通光孔5，其半徑為R2，R2稍大于R1，熱沉內(nèi) 可開有循環(huán)水道7連通側(cè)周的循環(huán)水入口 6和出口 8，冷卻水從入口 6流入熱沉，經(jīng)水道7 循環(huán)后從出口 8流出，實(shí)現(xiàn)對熱沉的冷卻散熱。石墨體1材料選用高純石墨，其升華點(diǎn)高達(dá)3700°C，耐受強(qiáng)激光束高溫?zé)g的能 力很好。石墨體直徑、厚度及通光孔大小和形狀可根據(jù)需要靈活設(shè)計(jì)，從而達(dá)到控制激光束 傳輸直徑和光斑形狀的目的。石墨體加工簡單，易于滿足不同激光束應(yīng)用需要，通常設(shè)計(jì) 中，石墨體厚度H取為其直徑2R的五分之一，通光孔直徑2R1取石墨體直徑2R的十分之 一。通光孔設(shè)計(jì)為圓臺形孔，錐角A小于90度，此種設(shè)計(jì)可以保證入射光束9不被直接反 射回來。石墨體兩個端面要求光滑，利用數(shù)控車床將其表面加工至6級粗糙度，這樣可保證 與熱沉聯(lián)接的端面接觸緊密，散熱良好，保證正對激光入射的端面對光束均勻散射，石墨對激光的吸收率很高，且吸收光譜平坦，因此對于被阻擋的強(qiáng)激光束，其能量基本都被石墨體吸收，不會產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射和散射光，凈化了傳輸光路，同時降低了對操作人員的危害。在 石墨體圓周上加工有螺紋形成聯(lián)接段3，用于與熱沉進(jìn)行緊密聯(lián)接。熱沉4采用純銅材料，純銅材料導(dǎo)熱性能好，且價格比金、銀等貴金屬低。采用數(shù) 控車床對純銅棒料進(jìn)行加工，分別加工出熱沉內(nèi)體和外罩體(圖中未標(biāo)記)，內(nèi)體中心加工 半徑為R2的圓柱通光孔，在內(nèi)體前端面加工凹進(jìn)，該凹進(jìn)內(nèi)周加工螺紋，用于將石墨體聯(lián) 接段3螺紋旋入熱沉前端面，使熱沉包在石墨體聯(lián)接段3外周。在內(nèi)體外周和外罩體內(nèi)周 分別加工位置相對的循環(huán)水槽，之后將內(nèi)體和外罩體焊接在一起使循環(huán)水槽形成循環(huán)水道 7，并被封閉在熱沉內(nèi)。熱沉加工中注意循環(huán)水槽的加工與封裝，保證使用中不漏水。熱沉 主要起到對石墨體散熱冷卻的作用，對于機(jī)械加工精度和工藝無特殊要求。如圖3所示，強(qiáng)激光束直接入射至石墨光闌上，直徑為Rl的光束透過石墨孔并繼 續(xù)傳輸，其余光束被石墨體阻擋。由于石墨體對激光能量的吸收率很高(> 90% )，因此被 阻擋光束的能量基本被石墨體吸收而不會產(chǎn)生強(qiáng)的反射和雜散光。石墨體吸收激光能量將 產(chǎn)生溫升，熱沉可以對石墨體進(jìn)行冷卻散熱，從而保證光闌長時間使用?？梢栽O(shè)計(jì)不同直徑 Rl和不同通光孔形狀的光闌，以滿足不同應(yīng)用的需要。
權(quán)利要求
一種強(qiáng)激光石墨光闌，其特征在于，包括石墨體和熱沉，所述石墨體中心開有圓臺形通光孔，該通光孔的圓臺底正對入射激光光束方向；該通光孔的圓臺頂半徑為R1；所述熱沉中心開有半徑為R2的圓柱通光孔，R2大于R1，石墨體通過聯(lián)接段嵌入熱沉前端面，使熱沉包在石墨體聯(lián)接段外周。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)激光石墨光闌，其特征在于，所述圓臺形通光孔的圓錐角 小于90°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的強(qiáng)激光石墨光闌，其特征在于，所述熱沉內(nèi)開有循環(huán)水道 連通側(cè)周的入口和出口，冷卻水從入口流入熱沉，經(jīng)循環(huán)水道從出口流出，實(shí)現(xiàn)對熱沉的冷 卻散熱。
4.一種權(quán)利要求1所述強(qiáng)激光石墨光闌的制造方法，其特征在于，包括下述步驟1]采用數(shù)控車床將高純石墨加工成圓片，圓片厚度為圓片直徑的五分之一；2]在圓片中心加工圓臺形通光孔，該通光孔的圓臺底正對入射激光光束方向；該通光 孔的圓臺頂半徑為Rl ；直徑2R1是圓片直徑的十分之一；3]在圓片圓周上加工螺紋形成聯(lián)接段，用于與熱沉進(jìn)行緊密聯(lián)接，至此，石墨體加工完畢；4]采用數(shù)控車床將純銅棒料加工成圓柱銅體；5]在銅體中心加工半徑為R2的圓柱通光孔，R2大于Rl；6]在銅體前端面加工凹進(jìn)，該凹進(jìn)內(nèi)周加工螺紋，至此，熱沉加工完畢；7]將石墨體聯(lián) 接段螺紋旋入熱沉前端面，使熱沉包在石墨體聯(lián)接段外周。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的強(qiáng)激光石墨光闌的制造方法，其特征在于所述圓柱銅體包 括熱沉內(nèi)體和外罩體，在內(nèi)體外周和外罩體內(nèi)周分別加工位置相對的循環(huán)水槽，之后將內(nèi) 體和外罩體采用焊接形式封裝，使循環(huán)水槽形成循環(huán)水道。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的強(qiáng)激光石墨光闌的制造方法，其特征在于，所述圓臺形通光 孔的圓錐角小于90°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種強(qiáng)激光石墨光闌及其制造方法，其特征在于，該強(qiáng)激光石墨光闌包括石墨體和熱沉，所述石墨體中心開有圓臺形通光孔，該通光孔的圓臺底正對入射激光光束方向；該通光孔的圓臺頂半徑為R1；所述熱沉中心開有半徑為R2的圓柱通光孔，R2大于R1，石墨體通過聯(lián)接段嵌入熱沉前端面，使熱沉包在石墨體聯(lián)接段外周。本發(fā)明石墨光闌，具有耐受激光輻照破壞力強(qiáng)，對傳輸光束影響小的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于利用激光進(jìn)行科學(xué)研究、工業(yè)加工等的場合，實(shí)現(xiàn)對激光束直徑和光斑形狀的控制，尤其能夠滿足強(qiáng)激光傳輸控制的應(yīng)用，具有較廣泛的應(yīng)用前景和較高的經(jīng)濟(jì)價值。
文檔編號G02B5/00GK101799567SQ201010139708
公開日2010年8月11日 申請日期2010年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月6日
發(fā)明者謝永杰 申請人:西安交通大學(xué)