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光学CO2激光器干货

时间：2017-11-13 09:57作者：update 阅读(1269) 评论: 5

导读： CO2激光器是通过二氧化碳气体产生激光。

　　CO2激光器是通过二氧化碳气体产生激光。产生的激光主要用于切割和焊接；加工模式选择上激光模式分为单模、基模和多模；激光输出分脉冲输出和连续输出，用于切割和焊接的激光主要采用脉冲输出方式，脉冲频率主要影响切割的速度和切口粗糙度，要获得高速切割，高频率是必不可少的。今天为您整理了比较全的关于CO2激光器的资料，各位朋友们可以收藏。

　　工作原理及分类

　　二氧化碳激光于1964年首次运用其波长为10.6μm。因为这是一种非常有效率的激光，作为商业模型来说其转换效率达到10%，所以二氧化碳激光广泛用于激光切割，焊接，钻孔和表面处理。作为商业应用激光可达数千瓦，这是目前最强的物质处理激光。

　　1、运作原理

　　二氧化碳激光是一种分子激光。主要的物质是二氧化碳分子。它可以表现多种能量状态这要视其震动和旋转的形态而定。二氧化碳里的混合气体是由于电子释放而造成的低压气体（通常30-50托）形成的等离子（电浆）。如麦克斯韦-波尔兹曼分布定律所说，在等离子里，分子呈现多种兴奋状态。一些会呈现高能态（00o1）其表现为不对称摆动状态。当与空心墙碰撞或者自然散发，这种分子也会偶然的丢失能量。通过自然散发这种高能状态会下降到对称摆动形态(10o0)以及放射出可能传播到任何方向的光子（一种波长10.6μm的光束）。偶然的，这种光子的一种会沿着光轴的腔向下传播也将在共鸣镜里摆动。

　　大体上，二氧化碳激光的工作物质是由二氧化碳、氦、氮气所组成的混合物。氮气作为缓冲气体以及它的分子共鸣地传递刺激能量给二氧化碳分子。因为张弛水平是瓶颈，氦的作用是作为热壑来传递能量给氦原子。

　　2、二氧化碳激光的种类

　　废热被拒的方式对激光系统设计有很大的影响。原则上，有两种可能的方式。第一种方式是基于自动处理自然扩散热气到管墙，运作原理就是密封和慢轴流激光。第二种是基于气体强迫对流，其运作原理就是快轴流激光。大体上，主要有五种二氧化碳激光：

　　密封式或无流式

　　慢轴流

　　快轴流

　　快速横向流

　　横向激励大气（TEA）

　　密封或无流式二氧化碳激光通常以用于光束偏转激光做记号。它的放电管完全被封住。这种激光束的质量非常好。而且在大多数情况下整个放电管可以换新旧的可以重新灌气所以容易保养。这样就无需使用分离式的气体供应系统。只需要在激光头做较少的连接。所以它既紧密且轻巧。但是其能量输出较低（通常少于200瓦）。

　　TEA二氧化碳激光通常应用于防护罩制作。只能在脉冲形势下操作。气流低且气压高。其激励电压大概在一万伏。这种激光束能量分布在相对的大区域是统一的。它的最高能量最高可以达到1012瓦而且其脉冲宽度非常小。尽管如此，由于多状态运转所以这种形式的激光很难在小点上集中。

　　3、泵的电源供应

　　对于CW二氧化碳激光而言，总体上说主要有三种给泵供电的方式。例如：直流电（DC）、高频（HF）、射频（RF）。直流电供电设计最简单。在高频率供电式中电子在频率20-50千赫兹之间交替。相对直流电而言，高频供电在大小上紧密而且较高效率。射频供电中电子在频率2至100兆赫兹之间交替。与直流电相比，其电压和效率都较低。

　　中功率CO2激光器主要用途

　　面向轻工业企业客户群的中功率CO2激光器用途广泛，根据不同的产品应用领域可分为低端、中端、高端，形成不同层次的产品梯次结构，满足不同档次的客户需求。

　　塑胶、玻璃、模具等非金属的切割属于中功率CO2激光器的低端应用领域。

　　在塑胶切割方面，以很快的速度完成形状极为复杂的零部件切割，同时不会产生应力和使工件发生形变是塑胶CO2激光切割的主要优点。更大的优势体现在热塑性材料方面，可以得到其他切割方法难以得到的优质光滑的切割面。在切割聚酯和聚碳酸酯类材料时也有很好的体现。CO2激光切割设备可以对厚达20毫米的人工合成或天然橡胶进行切割。

　　在玻璃切割方面，使用金刚石砂轮和高硬度金属轮的机械加工方法是传统的玻璃和玻璃制品的切割方式，它最大的缺点是需要对加工后的边缘进行再处理，材料上残存不对称边缘应力，有残留碎屑、微小裂痕、缘不平滑等，所带来的降低产量等问题。

　　在模具切割方面，制造建筑学模型的公司应用得非常广泛的是激光切割。他们通常需要在薄板材料上雕刻砌砖式码堆和切割复杂的形状。大部分的模型使用丙烯酸树脂板材，这种材料使用CO2激光切割设备进行切割的效果非常好。激光切割在电影特效公司和主题公园设计公司中也同样应用得非常的普遍，在工作场地内装备了CO2激光切割设备的公司有迪斯尼图像公司、工业照明与魔术公司以及数字领域公司等。

　　0.5mm-6mm钢板的切割、手机电池外金属薄壳切割等金属的切割属于中功率CO2激光器的中端应用领域。

　　0.5mm-6mm钢板切割广泛应用于不锈钢、合金钢、普通钢、碳钢、铝合金、铜合金、钛合金和工具钢等金属材料的切割。它的作用在于提高薄板切割的效率和速度，可接近甚至超过数控冲床，所以它适合制造电气开关柜、纺织机械、机床外罩、自动电梯、工具、工程机械等模具的碳钢零件切割。

　　在手机电池外金属薄壳切割方面，由于手机的普遍使用，手机电池的环保回收问题，正为大家所关注，而手机电池外金属薄壳激光切割进行回收再利用，切实满足了市场的需求。

　　石油筛缝管切割、LCD产业玻璃基板切割等属于中功率CO2激光器的高端应用领域。

　　在石油筛缝管切割方面，它广泛应用于石油行业。为了挡住泥沙进入抽油泵，在壁厚为6——9mm的合金钢管上切出小于0.3m宽的均匀切缝，起割穿孔处小孔直径不能大于0.3mm。

　　在LCD产业玻璃基板切割方面，激光加工对于彩色滤光片、液晶、ITO导电玻璃等加工质量优秀，加工边缘强度高，使用范围广，并可在一步内完成全部的加工任务。美国一家公司已将激光玻璃切割的十多项工艺申请了专利，所以我国对于激光玻璃切割机的推广较为困难，但同时却给了CO2激光器一个难得的机遇和广阔的市场。

　　高功率CO2激光器技术

　　1、工作气体快速冷却

　　二氧化碳激光器的电光转换率一般在10%—20%范围内，这可算是转换率很高的了。其余的放电功率大部分通过电子与气体粒子的弹性碰撞使气体加热，温度升高；对于高功率激光器来说，气体温度升高更快。当工作气压温度达到300℃时，二氧化碳激光器的激光上、下能级因不存在粒子反转，所以没有激光输出。实际情况是气体温度大于150℃时，电光转换效率已明显下降。为此，要求器件具备能快速、有效的带走放电区气体的热量的能力。现在常用的有两种方法：气体快速对流冷却和扩散传导冷却。

　　2、大体积放电的均匀性和稳定性

　　高功率气体放电中的电流、电压、气体温度都较高，辉光放电正柱区的热不稳定性和电弧收缩等现象较严重。如何保证大体积辉光放电的均匀性和稳定性是高功率二氧化碳激光器的关键技术之一。我们常用的技术有：

　　（1）把大体积的放电区分成许多小的放电区分别加以控制。

　　（2）气体快速流动不稳定的扰动因素及时带出放电区。

　　（3）增加湍流以增加放电的均匀性。

　　（4）增加预电离或外界电离源以增加放电的均匀性。

　　3、放电激励技术多样化

　　除原有的直流放电（DC放电）激励技术外，还有交流放电（AC放电），射频放电（RF放电），微波放电，这都是今年发展的多种新激励技术，用的最多的是DC放电和RF放电。

　　4、优良的光束质量

　　激光切割、焊接等应用要求有优良的光束质量，特别是聚焦后的光束愈细愈好。在高功率激光器中，二氧化碳激光器是光束最好的一种。

　　5、优良的红外光学元件

　　在高功率状态下，激光晶体输出窗口和全反射镜的热畸变和热破坏常是限制激光功率提高和光束质量改善的关键技术问题。基材的选用和冷却、抛光、超精车等工艺问题也是很重要的。

　　6、既能连续输出又能脉冲输出

　　不同材料、不同路径的激光切割机、焊接、表面处理，往往要求激光束随时改变工作方式，有时要求连续输出，有时要求脉冲输出波形。近年来出现了增强脉冲输出，使加工性能明显提高。

　　怎么选择CO2激光器

　　20世纪60年代末我国已开始了高功率CO2激光器及其应用的研究。经过30多年的努力，现在已形成了500W——10kW系列产品的生产能力，大约有10多家公司和单位能够生产500W以上的CO2激光器，不过从整体上来说中国激光器与国外的相比还有一定距离，所有中国市场，大部分使用的是进口产品。总体来说，我国激光技术经过多年的培育，有了一定的发展，正在形成规模，我国大部分切割机上所有的大功率CO2激光器至今仍依赖进口。与国外相比，国内高功率CO2激光器就其激光质量及其测控系统而言，还有一定的差距。

　　CO2激光器的发展趋势

　　(1)高功率横流CO2激光器

　　高功率横流CO2激光器，用于激光加工和热处理，激光器的整机呈一体化的箱体。箱体的上箱体中置有一体化的放电室、热交换器、风机系统、进出口导流器以及光学谐振腔，箱体的下箱体中置有激光电源、充放气系统、真空泵、镇流电阻箱和控制盒。与已有技术相比具有结构紧凑、安装调试和维修方便、激光器的工作效率高，整机的体积可以小型化的特点。它主要应用于金刚石工具、汽车齿轮、汽车安全气囊气体发生器等焊接中的应用，激光表面淬火与熔覆工艺及其在钢铁轧辊表面熔凝淬火、石油化工零件表面修复等方面的特殊应用。

　　(2)声光调QCO2激光器

　　为满足激光测距、环境探测、空间通讯及激光与物质相互作用机理研究等领域应用要求，研制了声光调QC02激光器。针对影响声光调QCO2：激光器输出的各种因素，利用调Q脉冲激光器速率方程对该激光器输出的主要技术参数进行了理论分析和计算，提出了声光调QCO2：激光器优化设计的方法，并进行了验证实验。

　　激光器脉冲重复频率为lHz——50kHz，在lkHz运转时获得的输出激光脉冲宽度为180ns，峰值功率为4062W，与理论计算基本一致。结果证明：通过声光晶体(AO)的优选及谐振腔的合理设计。可实现小型CO2激光器的高重频、窄脉宽，高峰值功率输出，并可通过光栅选线的设计方式和TTL信号控制实现此类激光器的波长调谐和编码输出。

　　(3)紧凑型长寿命射频激励波导CO2激光器

　　为了使CO2激光器在工业加工及军事上有更广泛的应用,采用铝合金拉制型材作为激光器壳体、盘装电感代替传统线绕电感的结构以及全金属封接工艺等,研制出一种紧凑型长寿命射频激励波导CO2激光器.可连续输出或在不高于20kHz调制频率下脉冲输出,最大输出功率30W,实测工作寿命超过1500h,存储寿命超过1.5a.结果表明,这种激光器具有结构紧凑、输出功率稳定、工作寿命长、可连续及脉冲调制工作等特点,除了能满足各种材料的加工,也可在军事上应用。

　　(4)新型便携式TEACO2激光器

　　它是一种新型便携式横向激励大气压CO2激光器。该激光器采用4节5号充电电池直流供电,在1Hz重复频率条件下,可连续工作1h.激光器整机(包括电源及控制系统)尺寸为200nm×200mm×360mm,质量小于8kg.激光器使用紫外电晕预电离方式,放电均匀、稳定.自由振荡情况下,激光脉冲输出能量达到35mJ,输出脉冲宽度为70ns。

　　(5)高功率连续CO2激光器

　　针对直升飞机发动机涡轮叶片采用连续激光熔覆出现裂纹及叶片变形的问题,在5kW连续横流CO2激光器上,采用新的电源控制方案,通过软件及相关控制,实现了脉冲激光功率输出.克服了采用高功率开关电源带来的成本和稳定性问题.且脉冲调制频率可达到5Hz,调制占空比可达到5%——100%.当采用4kW峰值功率,4Hz脉冲重复频率,占空比为20%时,在发动机叶片K403合会表面进行合金粉末StelliteX-40的熔覆实验.结果表明,熔覆后热影响区比连续激光减少50%,硬度提高5%,界面结合性能与母材相当,无熔覆裂纹及叶片变形。

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