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CO2激光器充气

2016-11-15  来自: 东莞镭亚光电科技有限公司 浏览次数:1837

1工作原理

CO₂分子为线性对称分子,两个氧原子分别在碳原子的两侧,所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着,要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论,CO₂有三种不同的振动方式:①二个氧原子沿分子轴,向相反方向振动,即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值,而此时分子中的碳原子静止不动,因而其振动被叫做对称振动。②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动,且振动方向相同,而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的,又称为变形振动。③三个原子沿对称轴振动,其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反,又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中,确定了有不同组别的能级。

2激发过程

CO2激光器中,主要的工作物质由CO₂,氮气,氦气三种气体组成。其中CO₂是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦,可以加速010能级热弛预过程,因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在CO₂激光器中起能量传递作用,为CO₂激光上能级粒子数的积累与大功率***率的激光输出起到强有力的作用。 CO₂分子激光跃迁能级图  CO₂激光器的激发条件:放电管中,通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时,放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO₂分子发生碰撞,N2分子把自己的能量传递给CO2分子,CO₂分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。


3结构激光管

是激光机中***关键的部件。常用硬质玻璃制成,一般采用层套筒式结构。***里面一层是放电管,第2层为水冷套管,***外一层为储气管。二氧化碳激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响,主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应,应根据管长而定。管长的粗一点,管短的细一点。放电管长度与输出功率成正比。在***的长度范围内,每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。加水冷套的目的是冷却工作气体,使输出功率稳定。放电管在两端都与储气管连接,即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中与储气管中循环流动,放电管中的气体随时交换。

光学谐振腔

CO2激光器的谐振腔常用平凹腔,反射镜用K8光学玻璃或光学石英,经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——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。所以反射镜需要应用透红外光的材料,因为普通光学玻璃对红外光不透。就要求在全反射镜的中心开一小孔。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这一小孔输出腔外,形成一束激光。


4分类

(1)按输出方式分

1)连续输出;

2)脉冲输出——调制频率高达1MHz;

3)Q开关输出——电光调Q与声光调Q。

(2)按谐振腔的工作分

1)波导腔——孔径D=1~3mm;

2)自由空间腔——孔径D=4~6mm。

(3)按激励极性分

1)单相;

2)反相。

(4)按腔体结构分

1)单腔;

2)多腔;

(a)折叠腔:V型——2折;Z型——3折;X型——4折。

(b)列阵腔:短肩列阵;交错列阵。

(c)积木式:并联—2腔;三角组联—3腔。

3)大面积放电

(a)平板型,(b)同心环型。

(5)按均恒电感分布方式分

1)准电感谐振技术—用于低电容激光头;

2)平行分布电感谐振技术—用于高电容激光

头。

(6)按谐振腔材料分

1)陶瓷—金属混合型;2)全陶瓷型;3)全金属型。

(7)按冷却方式分

1)空气冷却;2)水冷却。

(8)按封装方式分

1)封离型;2)流动型。

谐振腔的材料一般为:金属—A1。陶瓷—BeO,BN、AIN、Al2O3等。



5发展特点

CO2激光器具有体积大、结构复杂、维护困难,金属对10.6μm波长的激光不能够很好的吸收,不能采用光纤传输激光以及焊接时光致等离子体严重等缺点。

CO2激光器发展状况

[1]

封离式

慢速轴流

横流

快速轴流

涡轮风机快速轴流

扩散型SLAB

出现年代

20世纪70年代中期

20世纪80年代早期

20世纪80年代中期

20世纪80年代后期

20世纪90年代早期

20世纪90年代中期

功率

500

1000

20000

5000

10000

5000

光束质量MF因子

不稳定

1.5

10

5

2.5

1.2

光束质量Kt因子

不稳定

5

35

17

9

4.5

从上表可以看出,早期的CO2激光器取向激光功率提高的方向发展,单当激光功率达到***要求后,激光器的光束质量受到重视,激光器的发展随之转移到提高光束质量上。接近衍射极限的扩散冷却板条式CO2激光器具有较好的光束质量,一经推出就得到了广泛的应用,尤其是在激光切割领域,受到众多企业的青睐。


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