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CO2激光器的工作原理及类型

   二氧化碳激光于1964年首次使用,波长为10.6μm。由于它是一种非常高效的激光器,作为商业模型,转换效率为10%CO2激光器广泛应用于激光切割、焊接、钻孔和表面处理。作为商业应用激光器可以达到45千瓦,这是目前最强大的材料加工激光器。



  1.CO2激光器的工作原理


  二氧化碳激光是一种分子激光。主要物质是二氧化碳分子。它可以根据其振动和旋转模式表达多种能量状态。二氧化碳中的混合气体是低压气体(通常为30-50)因释放电子而形成的等离子体(plasma)。正如麦克斯韦-玻尔兹曼分布定律所述,在等离子体中,分子表现出多种激发态。有些会表现出高能态(00o1),表现出不对称摆动状态。当分子与空腔壁碰撞或自然发射时,也会意外损失能量。通过自然色散,这种高能态下降到对称摆动配置 (10o0) 并发射可以沿任何方向传播的光子(波长为10.6μm的光束)。有时,沿着光轴传播的这些光子之一也会在谐振镜中振荡。


  一般来说,二氧化碳激光器的工作物质是二氧化碳、氦气、氮气的混合物。氮气充当缓冲气体,其分子共振地将刺激能量传递给二氧化碳分子。由于弛豫能级 (01110) 是瓶颈,因此氦充当散热器,将能量转移到能级 (01110) 给氦原子。


  2.CO2激光器的类型


  废热的排出方式对激光系统的设计有很大影响。原则上,有两种可能的方式。第一种方法是基于热气体自然扩散到管壁的自动加工,工作原理是密封和慢轴流激光。第二种是基于气体强制对流,其工作原理是快速轴流激光器。一般来说,二氧化碳激光器主要有五种类型:


  密封或不流动

  慢轴流

  快速轴流

  快速侧流

  横向激发气氛 (TEA)


  密封或无流CO2激光器通常用于光束偏转激光打标,其放电管是完全密封的,该激光束的质量非常好。而且在大多数情况下,整个放电管都可以更换新的并重新充满空气,因此易于维护,这消除了对单独的气体供应系统的需要。激光头上只需要进行更少的连接,所以它又紧又轻,但其能量输出较低(通常小于200)


  TEA二氧化碳激光器通常用于防护罩的生产。只能在脉冲条件下运行,气流低,气压高,其激励电压约为10,000伏。该激光束能量分布在相对较大的区域上是均匀的。其最大能量可达1012瓦,脉冲宽度很小。然而,这种形式的激光由于其多状态操作而很难聚焦在小光斑上。


  3.泵的电源供应


  对于CW二氧化碳激光器,通常有三种主要的泵浦动力方式。例如:直流电(DC)、高频(HF)、射频(RF)。直流电源设计是最简单的。在高频电源中,电子在20-50kHz之间交替。与直流电源相比,高频电源体积紧凑,效率更高。在射频功率中,电子在2100兆赫的频率之间交替。与直流电相比,它的电压和效率较低。


  延伸阅读:


  .CO2激光器的优点


  1.功率较大,能量转换效率较高。

  一般闭管二氧化碳激光器可以有几十瓦的连续输出功率,远远超过其他气体激光器。横流电激发二氧化碳激光器可连续输出数十万瓦。此外,横压二氧化碳激光器的能量和功率在脉冲输出方面也达到了较高水平,可与固体激光器相媲美。二氧化碳激光器的能量转换效率可达30%40%,也高于普通气体激光器。


  2.利用CO2分子振动和转动能级的跃迁,有比较丰富的谱线,在10微米附近有几十条谱线的激光输出。近年来发现的高压二氧化碳激光器甚至可以实现910微米的连续可调输出。


  3.它的输出波段恰好是大气窗口,即大气对该波长的透过率很高。输出光束光学质量高、相干性好、线宽窄、工作稳定。


  4.具有良好的方向性、单色性和良好的频率稳定性。气体密度小,很难获得高浓度的激发粒子。因此,CO2气体激光器输出的能量密度通常小于固体激光器。


  .CO2激光的缺点


  CO2激光器的转换功率很高,但不会超过40%也就是说60%以上的能量会转化为气体的热能,从而使温度升高。气体温度的升高会导致激光上能级的去激发和激光下能级的热激发,从而减少粒子的反转数量。而且,气体温度的升高会使谱线变宽,导致增益系数降低。特别是气体温度的升高还会引起CO2分子的分解,降低放电管内CO2分子的浓度。这些因素都会降低激光器的输出功率,甚至造成温度猝灭


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