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詳解CO2激光器的原理、結構及優缺點

文章出處:admin 人氣:發表時間:2018-03-02 11:50

CO2 激光器是由CO2氣體、氮氣、氫氣等氣體組成,以10.6nm的激光波長為激光束產生20千瓦以上的功率,可實現連續性的工作,經常被用在激光打標機、激光切割機上,應用頗具廣泛。但是,仍有許多人對它還是比較陌生。那么,今天就由賢集網小編為大家詳細介紹CO2激光器的原理、結構及優缺點。

詳解CO2激光器的原理、結構及優缺點

CO2激光器的原理

與其它分子激光器相同,CO2激光器工作原理其受激起射進程也較凌亂。分子有三種不相同的運動,即分子里電子的運動,其運動抉擇了分子的電子能態;二是分子里的原子振動,即分子里原子盤繞其平衡位置不停地作周期性振動——并抉擇于分子的振動能態;三是分子翻滾,即分子為一全體在空間接連地旋轉,分子的這種運動抉擇了分子的翻滾能態。分子運動極端凌亂,因此能級也很凌亂。

CO2分子為線性對稱分子,兩個氧原子分別在碳原子的兩頭,所表明的是原子的平衡位置。分子里的各原子一向運動著,要繞其平衡位置不停地振動。依據分子振動理論,CO2有三種不相同的振動辦法:①二個氧原子沿分子軸,向相反方向振動,即兩個氧在振動中一起抵達振動的最大值和平衡值,而此刻分子中的碳原子靜止不動,因此其振動被叫做對稱振動。②兩個氧原子在垂直于分子軸的方向振動,且振動方向相同,而碳原子則向相反的方向垂直于分子軸振動。因為三個原子的振動是同步的,又稱為變形振動。③三個原子沿對稱軸振動,其間碳原子的振動方向與兩個氧原子相反,又叫反對稱振動能。在這三種不相同的振動辦法中,判定了有不相同組別的能級。

詳解CO2激光器的原理、結構及優缺點

CO2激光的激起進程:CO2 激光器的工作物質是CO2、He、N2、Xe的混合氣體,激光由CO2分子發射,其它氣體協助改善激光器的工作條件,提高激光器輸出功率水平和使用壽命,輸出波長:λ=10.6μm,CO2激光器是輸出功率最高的氣體激光器,有連續輸出50kW;脈沖輸出10^12W的激光器。

 

CO2激光器的結構

詳解CO2激光器的原理、結構及優缺點

1、激光管

通常由三部分有些構成: 放電空間(放電管)、水冷套(管)、儲氣管。放電管通常由硬質玻璃制成,通常選用層套筒式構造。它可以影響激光的輸出以及激光輸出的功率,放電管長度與輸出功率成正比。

在必定的長度范圍內,每米放電管長度輸出的功率隨總長度而添加。通常而言,放電管的粗細對對輸出功率沒有影響。

水冷套管的和放電管相同,都是由硬質玻璃制成。它的效果是冷卻作業氣體,使得輸出功率安穩。

儲氣管與放電管的兩端相連接,即儲氣管的一端有一小孔與放電管相通,另一端通過螺旋形回氣管與放電管相通。它的效果是可以使氣體在放電管中與中循環活動,放電管中的氣體隨時交流。

2、光學諧振腔

光學諧振腔由全反射鏡和有些反射鏡構成,是 CO2激光器的主要構成。光學諧振腔通常有三個效果:操控光束的傳達方向,進步單色性;選定形式;增加激活介質的作業長度。

最簡單常用的激光器的光學諧振腔是由相向放置的兩平面鏡(或球面鏡)構成。CO2激光器的諧振腔常用平凹腔,反射鏡選用由K8 光學玻璃或光學石英加工成大曲率半徑的凹面鏡,在鏡面上鍍有高反射率的金屬膜——鍍金膜,使得波長為10.6μm的光反射率達 98.8%,且化學性質安穩。

3、電源及泵浦

泵浦源可以供給能量使作業物質中上下能級間的粒子數翻轉。關閉式 CO2 激光器的放電電流較小,選用冷電極,陰極用鉬片或鎳片做成圓筒狀。30~40mA 的作業電流,陰極圓筒的面積 500cm2,不致鏡片污染,在陰極與鏡片之間加一光欄。

 

CO2激光器的優點

1、它有比較大的功率和比較高的能量轉換效率。

一般的閉管二氧化碳激光器可有幾十瓦的連續輸出功率,這遠遠超過了其他的氣體激光器,橫向流動式的電激勵二氧化碳激光器則可有幾十萬瓦的連續輸出。此外橫向大氣壓二氧化碳激光器,從脈沖輸出的能量和功率上也都達到了較高水平,可與固體激光器媲美。二氧化碳激光器的能量轉換效率可達30~40%,這也超過了一般的氣體激光器。

2、利用CO2分子的振動-轉動能級間的躍遷的,有比較豐富的譜線,在10微米附近有幾十條譜線的激光輸出。近年來發現的高氣壓二氧化碳激光器,甚至可做到從9~10微米間連續可調諧的輸出。

3、它的輸出波段正好是大氣窗口,即大氣對這個波長的透過率較高。并具有輸出光束的光學質量高,相干性好,線寬窄,工作穩定。

4、具有較好的方向性、單色性和較好的頻率穩定性。而氣體的密度小,不易得到高的激起粒子濃度,因而,CO2氣體激光器輸出的能量密度通常比固體激光器小。

 

CO2激光器的缺點

CO2激光器的變換功率是很高的,但最高也不會超越 40%,這就是說,將有 60%以上的能量變換為氣體的熱能,使溫度增加。而氣體溫度的增加,將致使激光上能級的消激起和激光下能級的熱激起,這都會使粒子的反轉數削減。并且,氣體溫度的增加,將使譜線展寬,致使增益系數降低。特別是,氣體溫度的增加,還將致使 CO2 分子的分解,降低放電管內的 CO2 分子濃度。這些要素都會使激光器的輸出功率降低,乃至發生“溫度猝滅” 。

 

以上內容就是賢集網小編今天帶給大家的CO2激光器原理、結構及優缺點,希望對您有用。一般而言,二氧化碳激光的工作物質是由二氧化碳、氦、氮氣所組成的混合物。氮氣作為緩沖氣體以及它的分子共鳴地傳遞刺激能量給二氧化碳分子。其輸出功率和能量大,效率高可達到15%~25%。它的商品器件連續輸出功率可達萬瓦量級,已廣泛用來打孔、切割、焊接和熱處理,在工業應用上是一種比較理想的激光器。

 

此文關鍵字:CO2激光器

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