激光器中CO2激光器的优缺点

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2022-07-01 16:42:38

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激光器的选用：主流的激光器类型均支持激光熔覆工艺，例如CO2激光器，固体激光器，光纤激光器，半导体激光器等。目前应用广泛的有CO2激光器，固体激光器。CO2激光器是应用最广、种类最多的一种激光器，在汽车工业、钢铁工业、造船工业、航空及宇航业、电机工业、机械工业、冶金工业、金属加工等领域广泛应用。约占全球工业激光器销售额40%，北美更高达70%。 　　CO2激光器的原理 　　与其它分子激光器相同，CO2激光器工作原理其受激起射进程也较凌乱。分子有三种不相同的运动，即分子里电子的运动，其运动抉择了分子的电子能态;二是分子里的原子振动，即分子里原子盘绕其平衡位置不停地作周期性振动——并抉择于分子的振动能态;三是分子翻滚，即分子为一全体在空间接连地旋转，分子的这种运动抉择了分子的翻滚能态。分子运动极端凌乱，因此能级也很凌乱。 　　CO2分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两头，所表明的是原子的平衡位置。分子里的各原子一向运动着，要绕其平衡位置不停地振动。依据分子振动理论，CO2有三种不相同的振动办法： 　　1二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中一起抵达振动的最大值和平衡值，而此刻分子中的碳原子静止不动，因此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。因为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，其间碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。在这三种不相同的振动办法中，判定了有不相同组别的能级。 　　CO2激光的激起进程：CO2 激光器的工作物质是CO2、He、N2、Xe的混合气体，激光由CO2分子发射，其它气体协助改善激光器的工作条件，提高激光器输出功率水平和使用寿命，输出波长：λ=10.6μm，CO2激光器是输出功率最高的气体激光器，有连续输出50kW;脉冲输出10^12W的激光器。 　　CO2激光器的结构 　　1、激光管 　　通常由三部分有些构成： 放电空间(放电管)、水冷套(管)、储气管。放电管通常由硬质玻璃制成，通常选用层套筒式构造。它可以影响激光的输出以及激光输出的功率，放电管长度与输出功率成正比。 　　在必定的长度范围内，每米放电管长度输出的功率随总长度而添加。通常而言，放电管的粗细对对输出功率没有影响。 　　水冷套管的和放电管相同，都是由硬质玻璃制成。它的效果是冷却作业气体，使得输出功率安稳。 　　储气管与放电管的两端相连接，即储气管的一端有一小孔与放电管相通，另一端通过螺旋形回气管与放电管相通。它的效果是可以使气体在放电管中与中循环活动，放电管中的气体随时交流。 　　2、光学谐振腔 　　光学谐振腔由全反射镜和有些反射镜构成，是 CO2激光器的主要构成。光学谐振腔通常有三个效果：操控光束的传达方向，进步单色性;选定形式;增加激活介质的作业长度。 　　最简单常用的激光器的光学谐振腔是由相向放置的两平面镜(或球面镜)构成。CO2激光器的谐振腔常用平凹腔，反射镜选用由K8 光学玻璃或光学石英加工成大曲率半径的凹面镜，在镜面上镀有高反射率的金属膜——镀金膜，使得波长为10.6μm的光反射率达 98.8%，且化学性质安稳。 　　3、电源及泵浦 　　泵浦源可以供给能量使作业物质中上下能级间的粒子数翻转。关闭式 CO2 激光器的放电电流较小，选用冷电极，阴极用钼片或镍片做成圆筒状。30～40mA 的作业电流，阴极圆筒的面积 500cm2，不致镜片污染，在阴极与镜片之间加一光栏。 　　CO2激光器的优点 　　1、输出功率范围较大，国外已用100KW激光焊机进行焊接。闭管二氧化碳激光器可有几十瓦的连续输出功率，这远远超过了其他的气体激光器，横向流动式的电激励二氧化碳激光器则可有几十万瓦的连续输出。此外横向大气压二氧化碳激光器，从脉冲输出的能量和功率上也都达到了较高水平，可与固体激光器媲美。 　　2、能量转换效率高，二氧化碳激光器的能量转换效率可达30～40%，这也超过了一般的气体激光器。 　　3、利用CO2分子的振动-转动能级间的跃迁的，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。近年来发现的高气压二氧化碳激光器，甚至可做到从9～10微米间连续可调谐的输出。 　　4、它的输出波段正好是大气窗口，即大气对这个波长的透过率较高。并具有输出光束的光学质量高，相干性好，线宽窄，工作稳定。 　　5、具有较好的方向性、单色性和较好的频率稳定性。而气体的密度小，不易得到高的激起粒子浓度，因而，CO2气体激光器输出的能量密度通常比固体激光器小。 　　6、能以脉冲方式或连续方式工作，焊接范围广，既能用来焊接微型件，也能焊接较厚的工件。 　　7、输出波长为10.6m，正落在8--14m的大气窗口之间，在距离传输方面有独特的优点。 　　8、气体纯度要求低，一般只要工业纯度二氧化碳气体即可。 　　9、激光器与电源可集成在一套系统中，结构紧凑，设计简单。 　　10、使用寿命长。 　　CO2激光器的缺点 　　CO2激光器的变换功率是很高的，但最高也不会超越 40%，这就是说，将有 60%以上的能量变换为气体的热能，使温度增加。而气体温度的增加，将致使激光上能级的消激起和激光下能级的热激起，这都会使粒子的反转数削减。并且，气体温度的增加，将使谱线展宽，致使增益系数降低。特别是，气体温度的增加，还将致使 CO2 分子的分解，降低放电管内的 CO2 分子浓度。这些要素都会使激光器的输出功率降低，乃至发生“温度猝灭” 。 　　以上内容就是小编今天带给大家的CO2激光器原理、结构及优缺点，希望对您有用。一般而言，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。其输出功率和能量大，效率高可达到15%~25%。它的商品器件连续输出功率可达万瓦量级，已广泛用来打孔、切割、焊接和热处理，在工业应用上是一种比较理想的激光器。 　　传统的固体激光器通常采用高功率气体放电灯泵浦，其泵浦效率约为3%到6%。泵浦灯发射出的大量能量转化为热能，需采用笨重的冷却系统，不可消除的热透镜效应使光束质量变差。加之泵浦灯的寿命约为400小时，操作人员需花很多时间频繁地换灯，中断系统工作，使自动化生产线的效率大大降低。与传统灯泵浦激光器比较，二极管泵浦固体激光器提高了转换效率、寿命和光束质量。YAG激光器输出波长为1.06μm，较CO2激光波长小1个数量级，因而更适合此类金属的激光熔覆。 　　资料来自于：钢铁裁缝之焊接、集贤网

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