成都激光切割机
发布时间:2020-12-01
百科:CO2气体激光器到光纤激光器之CO2气体激光器

      采用co2作为主要工作物质的激光器称为co2激光器,它的工作物质中还需加入少量 的N2和He以提高激光器的增益、耐热效率和输出功率。CO2激光器具有以下一些特点.

      输出功率大。一般的封闭管CO?激光器可有几十瓦的连续输出功率,远远超过了其 他气体激光器,横向流动式的电激励CO2激光器则可有几十千瓦的连续输出。

      能量转换效率高。CO2激光器的能量转换效率可达30%~40%,超过其他气体激光器.

      CO2激光器是利用CO2分子振动-转动能级间的跃迁,有比较丰富的谱线,在波长

      10μm附近有几十条谱线的激光输出。近年来发展的高气压CO2激光器可以做到从9~ 10μm间连续可调谐输出。

      CO2激光器的输出波段正好是大气窗口(即大气对此波长的透明度较高)。

      此外,CO2激光器还具有输出光束质量高、相干性好、线窄宽、工作稳定等优点,因 此在工业与国防中得到了广泛的应用。

      CO2激光器的结构

      典型的封离型纵向电激励C02激光器由激光管、电极以及谐振腔等几部分组成 (图2.3),其中最关键的部件为硬质玻璃制成的激光管,一般采用层套筒式结构。最里层为 放电管,第二层为水冷套管,最外一层为储气管。

image

      放电管位于气体放电中辉光放电正柱区位置。该区有丰富的载能粒子,如电子、离子、 亚稳态粒子和光子等,是激光的増益区。为此对放电管的直径、长度、圆度和直线度都有一 定的要求。100W以下的器材大多用硬质玻璃制作,中等功率(100~500W)的器件,为保 证功率或频率的稳定常用石英玻璃管制作,管径一般在10mm左右,管长时可略粗。

      在紧靠放电管的四周有冷却水套,其作用是降低放电管内工作气体的温度,保证器件实 现粒子数反转分布,并防止在放电激励的过程中放电管受热炸裂。加水冷套管的目的是冷却工作气体,使输出功率保持稳定。放电管在两端与储气管连接,储气管的一端有一小孔与放电管相通,另一端经过螺旋形回气管与放电管相通,这样就可使气体在放电管与储气管中循 环流动,放电管中的气体随时可与储气管中的气体进行交换。

      最外层储气管的作用一是减小放电过程中工作气体成分和压力的变化,二是增强放电管 的机械稳定性。

      回气管是连接阴极和阳极两空间的细螺旋管,可改善由电泳现象造成的极间气压的不平 衡分布。回气管的管径和长短取值很重要,它既要使阴极处的气体能很快地流向阳极区达到 气体均匀分布,又要防止回气管内出现放电现象。

      电极分阳极和阴极。对阴极材料要求具有发射电子的能力、溅射率小和能还原C()2的 作用。目前CO?激光器大多数采用镣电极,电极面积大小由放电管内径和工作电流而定。 电极位置与放电管同轴。阳极尺寸可与阴极相同,也可略小。

      谐振腔是由全反镜和输出镜组成的。中、小功率CO2激光器的全反镜一般采用镀金玻 璃镜,因为金膜对10. 6Mm的光有很高的反射率,而且化学性质稳定。但玻璃基板反射镜导 热性能差,所以大功率CO?激光器常用金属反射镜,如用铜镜或铝镜或在抛光的无氣铜、 不锈钢基板上镀金、镀介质膜的反射镜。输出镜通常采用能透射10. 6μm波长的材料作基 底,在上面镀制多层膜,控制一定的透射率,以达到最佳耦合输出。常用的材料有氣化钾、 氯化钠、错、珅化镣、硒化锌、磷化镉等。

      CO2激光器的谐振腔常用平凹腔,全反镜用K8光学玻璃或光学石英,加工成大曲率半 径的凹面镜,镜面上镀有高反射率的金属膜一一镀金膜,在波长10. 6μm处的反射率达 98.8%,且化学性质稳定。二氧化碳发出的光为红外光,所以全反镜需要采用透红外光的材 料。因为普通光学玻璃对红外光不透,这就要求在全反镜的中心开一小孔,再密封上一块能 透过10. 6μm激光的红外材料,以封闭气体,这就使谐振腔内激光的一部分从小孔输出腔 外,形成一束激光即光刀。

封离型CO?激光器的放电电流较小,采用冷电极,阴极用铜片或镣片制成圆筒状。 30~40mA的工作电流,阴极圆筒的面积为500cm2,为不致污染镜片,在阴极与镜片之间 加一光栏。泵浦采用连续直流电源激发。

      CO2激光器的输出特性

      横流CO2激光器。气体流动垂直于谐振腔的轴线。这种结构的CO?激光器光束质量 较低,主要用于材料的表面处理,一般不用于切割。相对于其他CO2激光器,横流CO2激光器输出功率高,光束质量低,价格也较低。

横流CO?激光器可以采用直流(DC)激励和高频(HF)激励,电极置于沿平行于谐 振腔轴线的等离子体区两边。等离子体的点燃和运行电压低,气体流动穿过等离子体区垂直 于光束,气体流过电极系统的通道非常宽,因此流动阻力很小,对等离子体的冷却非常有 效,对激光的功率没有太多的限制。这类激光器的长度不到lm,但可以产生8kW的功率。 然而,这类激光器由于气体横向流动通过等离子体,将等离子体吹离了主放电回路,导致在 光束截面上等离子体区或多或少偏离成为三角形,光束质最不高,出现高阶模。如果采用圆 孔限模,可在一定程度上使光束的对称性提高。

      快速轴流CO?激光器。结构如图2.4所示。这类CO2激光器激光气体的流动沿着谐 振腔的轴线方向。这种结构的CO2激光器的输出功率从几百瓦到20kW。输出的光束质量较好,是目前激光切割采用的主流结构。

      快速轴流CO2激光器可以采用直流(DC)激励和射频(RF)激励。电极之间的等离 子体的形状为细长柱状。为了阻止等离子体弥散在周围区域,这种类型的放电区常常在一个 空心柱状玻璃管或陶瓷管内,等离子体可在两个环形电极两端被点燃并维持,点燃和运行的电压依赖于电极之间八距离,在实际应用中使用的最大电压是20~30kV。

image

      循环气体的冷却采用快速轴向流动的形式,为确保有效的热传导,常用罗兹鼓风机或涡 轮风机实现这一高速流动。但这神几何形状的流动阻力相对较高,输出激光功率受到一定的 限制,如直流激励仅仅有几百瓦的激光输出。激光器的输岀功率有限,因此常常由几个轴流 冷却放电管以光学形式串接起来,以提供足够的激光功率。

由于CO2激光器的輸岀功率主要依赖于单位体积输入的电功率,所以RF激励比DC激 励等离子体密度高.几个轴流冷却放电管以光学形式串接起来的RF激励轴流激光器,连续 输岀功率可达20kWe轴流CO2激光器,由于等离子体轴向对称,容易运行在基模状态, 产生的光束质量高。

      板条式扩散冷却CO2激光器。扩散冷却CO2激光器与早期的封离式CO2激光器相 似,封离式CO2激光器的工作气体封闭在一个放电管中,通过热传导方式进行冷却。尽管 放电管的外壁被有效地冷却,但是放电管每米只能产生50W的激光能量,不可能制造出紧 凑、高能的激光器。扩散冷却CO?激光器也是采用气体封闭的方式,只不过激光器是紧凑 的结构,射频激励的气体放电发生在两个面积较大的铜电极之间。可以釆用水冷的方式来冷 却电极,在两个电极间的狭窄间貌能够从放电腔内尽可能大地散热,这样就能得到相对较高 的输出功率密度。

      扩散冷却CO2激光器采用柱镜面构成的稳定谐振腔,由于光学非稳定腔能容易地适应 激励的激光增益介质的几何形状,板条式扩散冷却CO2激光器能产生高功率密度激光光束, 且激光光束质量高。但是该类型激光器的原始输出光束为矩形,需要在外部通过一个水冷式 的反射光束整形器件将矩形光束整形为一个圆形对称的激光束。目前该类型激光器的输出功 率范围为1~5 kW.

      与气体流动式CO2激光器相比,板条式扩散冷却CO?激光器除了具有结构紧凑、坚固 的特点外还具有一个突出的优点,那就是实际应用中不必像气体流动式CO2激光器那样, 必须时时注入新鲜的激光工作气体,而是将一个小型的约10L的圆柱形容器安装在激光头 中来储存激光工作气体,通过外部的一个激光工作气体供应装置和永久性的储气罐交换器可 以使这种执行机构持续工作一年以上。

      扩散冷却CO2激光器由于激光头结构紧凑、尺寸小,可以与加工机械进行一体化集成设计,也可将加工系统设计成可以移动的激光头。另外,高的光束质髭可以带来小的聚焦光斑, 从而可获得精密切割和焊接;高的光束质量还可以采用长焦距聚焦透镜获得较小的聚焦光斑, 实现远程加工.高的光束质域使大范围内加工的激光聚焦光斑大小和焦点位置的变化很小,可 以确保整个工件的加工质量,对于类似于轮船或飞机等的大型框架结构的加工非常有利。


相关光纤激光切割机推荐
TOP
返回飞越激光顶部
东莞市飞越激光设备有限公司成都分站
地址 : 东莞市长安镇咸西街道莲花路10号
售前咨询 :139-2575-3017
售后服务 :135-4930-3078
飞越激光公众号

微信公众号

cache
Processed in 0.004801 Second.