高功率轴快流CO2激光器原理结构
二氧化碳激光器的原理
二氧化碳激光器的原理
二氧化碳激光器是一种基于CO2分子激光原理的激光器。其
工作原理是通过在一个由带电的电极和一个具有反射镜的管道中加入合适的混合气体，产生激发CO2分子的电流放电，使
得CO2分子跃迁到较高的能级，并在这个跃迁的过程中释放
出能量。
具体来说，二氧化碳激光器的工作原理可以分为三个步骤：
1. 激发态产生：在电流放电的作用下，电子会与CO2分子碰
撞并激发CO2分子至激发态。这些激发态分子具有较高的能量。
2. 跃迁过程：当激发态的CO2分子与其他的CO2分子碰撞时，它们会通过非辐射的碰撞跃迁到一个较低的激发态。在跃迁过程中，CO2分子会释放出特定的光子能量。
3. 光放大：通过将一端的管道设置为输出窗口，可以将产生的光线透过窗口放大，形成激光束。其中，管道的两端都是具有高反射能力的反射镜，它们可以将光子反射回管道中，形成来回反射的光束，最终形成激光束。
总结来说，二氧化碳激光器的工作原理是通过电流放电使
CO2分子激发，产生特定波长的光子能量，并通过反射镜的
反射将光线放大形成激光束。它在工业、医疗和科学研究等领域有着广泛的应用。
二氧化碳激光器原理
二氧化碳激光器的基本原理
1. 引言
二氧化碳（CO2）激光器是目前应用广泛的一种激光器。它具有高功率、高效率、
波长适中等优点，广泛应用于医学、工业、军事等领域。本文将详细解释与二氧化碳激光器原理相关的基本原理。
2. 激光器的基本构成
二氧化碳激光器的基本构成包括：激发源、放大器和谐振腔。
2.1 激发源
激发源是产生激发能量的部分，其作用是将外部能量转化为所需的激发能量。在二氧化碳激光器中，常用的激发源是电子束和放电。
电子束激发源是通过加速电子束来激发工作气体中的气体分子，使其转化为激发态。激发态气体分子在跃迁回基态时，将能量以激光的形式释放出来。
放电激发源则是通过电流通过工作气体产生的放电，使气体分子的电子激发到激发态。放电释放的能量一部分转化为激光能量。
2.2 放大器
放大器是将激发源产生的激光能量进行放大的部分。在二氧化碳激光器中，常用的放大器是激光管。
激光管是一个封闭的管道，内部充满了CO2、氮气和氧气的混合物，称为工作气体。放电激发源产生的激发态气体分子会与CO2分子碰撞，将能量转移到CO2分子上，并将CO2分子激发到激发态。
当CO2分子在跃迁回基态时，会释放出能量，产生激光。激光经过多次反射和吸收，逐渐被放大。放大器内部的反射镜和光学结构起到了引导光线的作用。
2.3 谐振腔
谐振腔是将产生的激光能量反射和增强的部分，在二氧化碳激光器中，谐振腔由两个平行的反射镜组成。
其中一个镜子是半透明的，激光可以透过该镜子逃逸，这样可以输出激光能量。另一个镜子是高反射率的，激光会被完全反射回去。
当激光在谐振腔中来回传播时，由于激光的波长符合谐振腔的长度，会产生共振现象，激光逐渐增强。谐振腔的长度可以通过调整镜子之间的距离来改变，从而控制激光的频率。
优选高功率轴快流激光器原理结构
高功率连续放电（85mA）
放电管4.2 放电管4.3
放电管4.1
射频放电
40
多根放电管串联
两种放电结构
阻抗匹配
射频电源 13.56MHz 50欧姆
阻抗匹配器
阻抗匹配布置
为每台电源配置一个阻抗匹配器
阻抗匹配布置
1、左匹配器 2、右匹配器 AS：窗口
反射功率变化曲线
匹配网络对反射功率的影响
光束质量参数
轴快流CO2激光器的诞生
轴快流CO2激光器是在早期的封离式圆形玻璃管纵向激 励CO2激光器的基础上发展而来的。
1965年，Bridge和Petel将放电管壁的温度冷却到60ºC以下来提高激光器的输出功率。 Moeller,
Rigder[8]以及Patel[9]等人则采用风冷和水冷的方式来 使放电管冷却。
日本的Kawasaki重工等造船企业已经安装了高功率激光平板切割系统。德国的 Meyer Werft也安装了四台12KW的CO2激光器，用来焊接不同长度的船体加强杆
Trumpf轴快流CO2激光器概述
激光器构成
冷水机
操作面板
激光发生器
控制系统 射频电源
激光发生器构成
涡轮风机
热交换器
激光谐振腔
光闸
36
放电结构
1、玻璃管 2、放电区 3、放电电极
射频放电特点
二氧化碳激光器的原理
二氧化碳激光器的原理
什么是二氧化碳激光器
二氧化碳激光器是一种基于二氧化碳分子转换能量的激光装置，又称CO2激光器，是激光技术中最为常用的激光器之一。二氧化碳激光器具有光束成形优良、聚束能力强等优点，是工业、医疗和科研等领域常用的激光器。
二氧化碳激光器的工作原理
所谓的二氧化碳激光器，就是利用二氧化碳分子的转换能量，产生激光。具体来说，二氧化碳激光器是一种分子激光，其激光的波长为10.6微米。二氧化碳分子的转换能量是由某些特定的原子（如电子）被激发所产生的。
二氧化碳激光器最常用的激发方式是电子束激发。在电子束场的作用下，二氧化碳分子中的碳离子电子发生激发跃迁，跃迁后会释放出一部分能量，这部分能量便会被聚焦到一个光学谐振腔之内，进而形成激光。
二氧化碳激光器的光路
二氧化碳激光器光路主要由激光管、反射镜、非线性晶体和输出稳健器组成。激光管内充满了稀薄的二氧化碳气体，这个气体在加热和激励的作用下，会产生激光。
光路结构中的重要部件是反射镜。反射镜通常由高反射性光谱镀膜的金属镜片组成，它们形成一个光学谐振器，是激光产生、放大和稳定输出的基础。非线性晶体用于进行调制和调频，输出稳健器则是用于保持激光的稳定性和连续性输出。
二氧化碳激光器的应用
二氧化碳激光器由于其稳定性高、成本低等特点，被广泛应用于各种领域中。例如，在工业上，二氧化碳激光器被用于金属制品切割、激光打标、激光焊接、雕刻等；医疗上，二氧化碳激光器则是常用的切割、烧灼、手术等治疗方式，特别是用于皮肤等薄壁组织的手术，其效果较好。
总结
二氧化碳激光器是一种基于二氧化碳分子转换能量，产生激光的激光器。其工作原理是利用电子束激发方式，将二氧化碳分子中碳离子电子进行激发跃迁，进而产生激光。在生产制造和医疗方面，二氧化碳激光器有广泛的用途，具有光束成形优良、聚束能力强等优点。
co2激光器基本结构
CO2激光器的基本结构包括以下几个主要部分：
1. 激光介质：CO2激光器的激光介质是由碳氢化合物（通常是混合物）组成的。这些化合物在激发态下能够产生CO2分子的激发态，从而产生激光。
2. 激发源：激发源通常是电子束或者放电电流。电子束或电流通过激光介质，将能量传递给激光介质中的碳氢化合物，使其激发。
3. 光学腔：光学腔是CO2激光器的一个重要组成部分，它由两个反射镜组成，一个是高反射镜（HR镜），另一个是部分透射镜（OC镜）。光学腔的作用是将激发产生的光反射回激光介质中，形成光的反馈，从而放大光的强度。
4. 冷却系统：CO2激光器在工作过程中会产生大量的热量，因此需要一个冷却系统来保持激光器的温度在合适的范围内。冷却系统通常使用水冷或者气冷的方式。
5. 控制系统：控制系统用于控制激光器的工作参数，
如激发源的电流、激光器的频率等。控制系统还可以监测激光器的工作状态，以确保其正常运行。
以上是CO2激光器的基本结构，不同型号的CO2激光器可能会有一些差异，但基本原理是相似的。
CO2激光器原理及应用
CO2激光器原理及应用
CO2激光器（Carbon Dioxide Laser）是以二氧化碳气体作为工作介
质的一种激光装置。它以电子级别的能级跃迁作为激光产生的机制，并在
可见光到远红外光波段具有宽广的波长范围。这种激光器具有高功率、高
效率、高均匀性以及较长的使用寿命等特点，因此在许多领域有着广泛的
应用。
CO2激光器的核心部件是由带电电子和振动的二氧化碳气体分子构成
的激活介质。当这些分子处于基态时，受外部能级跃迁的激发，会产生跃
迁到激活级的带电态。随后，这些带电态的分子会通过碰撞与其他分子发
生非辐射跃迁，回到基态，并释放出能量。这些能量激发了二氧化碳分子
中的振动模式，形成一个振动级。当一定数量的分子处于这个激发态时，
它们会发射激光光子，并逐渐形成一束可见光或红外光的激光束。
1.切割和焊接：CO2激光器能够通过选择适合的波长和功率，实现高
质量的金属和非金属材料的切割和焊接。它们被广泛应用于汽车制造、航
空航天、电子设备等行业。
2.医学美容：CO2激光器在医学美容领域有着重要的应用。它们可以
用于皮肤整容、痣的去除、纹身的消除等。CO2激光器的高功率和高单脉
冲能量使得医生可以精确控制照射深度，减少周围组织的损伤。
3.激光打标：CO2激光器可以用于激光打标，将永久图案或文字标记
在各种材料上。它们在电子产品、餐具、医疗器械等行业中得到广泛应用。
4.刻蚀和雕刻：CO2激光器可以通过控制能量和路径来刻蚀任意形状
和图案。它们被广泛应用于艺术品、标识牌、木制家具等制造业。
5.科学研究：CO2激光器具有高功率和长脉冲持续时间的特点，因此在科学研究中被用于光谱学、等离子体物理学、大气科学等领域。
二氧化碳激光器的构造
二氧化碳激光器的构造
二氧化碳激光器是一种常见的激光器，其构造主要由激光管、反射镜、电源和冷却系统等组成。
激光管是二氧化碳激光器的核心部件，其内部充填着二氧化碳气体。当电流通过激光管时，气体分子被激发，产生光子，从而形成激光束。激光管通常采用金属或陶瓷材料制成，以保证其高温和高压的稳定性。
反射镜是控制激光束方向和强度的重要部件。二氧化碳激光器通常采用两个反射镜，一个是输出镜，用于将激光束引出；另一个是反射镜，用于将激光束反射回激光管，形成激光共振腔。
电源是二氧化碳激光器的能量来源，其主要作用是提供高电压和高频率的电流，以激发激光管内的气体分子。电源通常采用高压直流电源或射频电源，以满足不同的激光器工作需求。
冷却系统是保证二氧化碳激光器长时间稳定工作的关键部件。由于激光管内部温度极高，需要通过冷却系统将其冷却至适宜的温度。常见的冷却方式包括水冷和气冷两种，其中水冷方式冷却效果更好，但需要更复杂的设备。
二氧化碳激光器的构造复杂，但其具有高功率、高效率、高稳定性等优点，被广泛应用于医疗、工业、科研等领域。
二氧化碳激光及原理
二氧化碳激光及原理
二氧化碳激光，简称CO2激光，是一种常见的工业激光器。它具有高效能、
可调谐频率、稳定性高等特点，广泛应用在材料加工、医疗美容、科学研究等领域。本文将介绍CO2激光的原理及其特点。
一、二氧化碳激光的原理
CO2激光采用的是电子过渡–振动–振转能级结构的工作原理。即先通过电子能
级跃迁将气体激发成激发态，然后进一步通过振动能级跃迁和振转能级跃迁实现激光辐射。
首先，二氧化碳气体（CO2）中的氧气分子（O2）通过电子碰撞激发产生氮氧化物（NO）的激发态，然后氮氧化物（NO）进行快速非辐射跃迁，将能量传递给CO2分子，使其激发成为自由振动态。
其次，CO2分子在自由振动态的能级之间发生辐射跃迁，将红外辐射能转化为
可见光能，并且在光学谐振腔的作用下，这些能级可以形成一组相干波。
最后，利用光学谐振腔的输出耦合镜，将激光从光学谐振腔中输出。这样，就
得到了二氧化碳激光。
二、二氧化碳激光的特点
1. 发射频率可调谐：CO2激光的激发态和激光激发能量有很大关系，通过改变
激发态和能级结构之间的跃迁条件，可以实现不同频率的激光输出。因此，CO2
激光的频率可调谐。
2. 高功率输出：CO2激光具有较高的功率输出，可以达到数千瓦甚至更高的功率。这使得它在工业领域的材料切割、焊接等加工过程中具有广泛应用。
3. 加工效果优秀：CO2激光对许多材料具有较好的加工效果。其激光波长为10.6微米，能够在许多材料中产生蒸发、烧蚀和熔融等不同的加工结果，使其在材料加工领域占有重要地位。
4. 光束质量高：CO2激光具有良好的光束质量，光束直径小、发散角度小、光斑质量高。这使得其在精细加工和高精度加工领域有较好的应用前景。
co2 激光 工作原理
co2 激光工作原理
激光器是一种通过激发原子或分子能级从而产生高强度、高纯度光束的设备。CO2激光器是一种中红外激光器，其工作原
理基于CO2分子的震动和旋转能级。以下是CO2激光器的工
作原理：
1. 能级结构：CO2分子由一个碳原子和两个氧原子组成。CO2分子的电子结构包含多个电子能级，其中最重要的是振动能级和旋转能级。
2. 激发：通过电击放电或光学激发等方式，将CO2分子的电
子能级提升到较高的激发态。
3. 碰撞传能：在激发态下，CO2分子往往与周围气体分子碰撞，将激发态的能量传递给周围气体分子，使其也处于激发态。
4. 脉冲能量释放：当处于激发态的CO2分子回到基态时，它
会释放出一定能量的光子。这些光子将与周围气体分子碰撞并进一步激发，形成光放大效应。
5. 光放大：经过多次反射，在激光器的共振腔内，激光光子得到不断放大，形成一束高能量、高纯度的激光束。
6. 激光输出：通过合适的光学器件，将放大后的激光束从激光器中输出。
CO2激光器中的CO2分子是作为工作介质来利用其特殊的电
子能级结构的。通过电击放电或光学激发，CO2分子的能级可以被提升到较高的激发态，并在跃迁到基态的过程中产生一束高能量、中红外光的激光束。这种激光器在许多应用领域都有广泛的应用，如材料加工、医疗治疗、通信等。
二氧化碳激光发生器原理
二氧化碳激光发生器原理
激光技术在现代科学和工业中起着至关重要的作用，而二氧化碳激光发生器是其中一种常见的激光发生器。它利用二氧化碳分子的能级结构和电子能级跃迁来产生激光。下面将详细介绍二氧化碳激光发生器的原理。
1. 激光介质
二氧化碳激光发生器的激光介质是由二氧化碳分子（CO2）组成的混合气体。在激光介质中，二氧化碳分子的能级结构对激光的产生起着决定性的作用。
2. 能级结构
二氧化碳分子的能级结构包括基态和激发态。基态是指二氧化碳分子中的电子处于最低能级的状态，而激发态是指电子被激发到较高能级的状态。
3. 激发机制
二氧化碳分子的激发机制主要有电子冲击和能量传递两种方式。其中，电子冲击是通过电子束或电子束轰击二氧化碳分子，将电子能量转移到分子内部，使分子的电子跃迁到激发态。能量传递是指通过与其他激发态分子碰撞，将能量传递给基态分子，使其激发。4. 能级跃迁
当二氧化碳分子的电子被激发到激发态后，会经历一系列的能级跃
迁过程。其中最重要的是从激发态到激发态的电子能级跃迁。这些能级跃迁产生了激光所需的能量。
5. 激光产生
当二氧化碳分子中的电子从激发态跃迁回基态时，会释放出一部分能量。这些能量以光子的形式被释放出来，形成激光。由于二氧化碳分子的能级结构和电子能级跃迁的特性，二氧化碳激光发生器产生的激光波长通常在10.6微米左右。
6. 激光放大
在二氧化碳激光发生器中，激光波长为10.6微米的光线会通过激光谐振腔来进行放大。激光谐振腔是由两个反射镜构成的光学腔体，其中一个镜子是部分透明的，允许激光光线出射。当激光光线经过激光谐振腔多次反射和放大后，最终形成一束强大的激光束。
二氧化碳激光原理
二氧化碳激光原理
激光是一种特殊的光，它具有单色性、相干性和高亮度等特点，因此在许多领
域都有着重要的应用价值。而二氧化碳激光是激光技术中的一种重要类型，它具有较高的功率和较长的波长，因此在工业、医疗和科研等领域都有着广泛的应用。在本文中，我们将对二氧化碳激光的原理进行介绍，以便更好地理解和应用这一技术。
1. 二氧化碳激光的基本结构。
二氧化碳激光器的基本结构包括激发源、谐振腔和输出镜等部分。激发源通常
采用放电方式，通过电流激发二氧化碳气体产生激光。谐振腔由两个反射镜构成，其中一个是部分透明的，用于输出激光。输出镜则用于调节激光的输出功率和模式。
2. 二氧化碳激光的工作原理。
二氧化碳分子在激发态和基态之间的能级差为10.6微米，对应的波长就是二氧化碳激光的波长。在二氧化碳激光器中，通过电流激发气体，使其处于激发态，当分子自发跃迁到基态时，就会释放出光子，形成激光。这些光子在谐振腔内来回反射，最终通过输出镜输出，形成我们所需要的激光束。
3. 二氧化碳激光的特点。
二氧化碳激光具有较高的功率和较长的波长，因此在许多领域具有独特的优势。首先，它可以被很多材料吸收，因此在激光切割、焊接等加工领域有着广泛的应用。其次，由于其波长较长，可以穿透一定厚度的透明材料，因此在医疗领域具有重要的应用，比如激光手术和激光治疗等。此外，二氧化碳激光还可以用于科研实验和激光雷达等领域。
4. 二氧化碳激光的发展趋势。
随着激光技术的不断发展，二氧化碳激光也在不断地得到改进和应用。例如，
随着激光技术的进步，二氧化碳激光的输出功率和稳定性都得到了提高，使其在工
二氧化碳激光原理
二氧化碳激光原理
二氧化碳激光是一种常见的激光类型，它在医疗、工业和科研领域都有着广泛
的应用。二氧化碳激光是通过将二氧化碳气体放电激发来产生的，其原理十分复杂，但是我们可以通过简单的方式来理解它的工作原理。
首先，我们需要了解二氧化碳分子的结构。二氧化碳分子由一个碳原子和两个
氧原子组成，碳原子与两个氧原子之间通过共价键相连。当二氧化碳分子受到能量激发时，碳原子和氧原子之间的键开始振动。这种振动会导致分子内部的电子能级发生变化，从而产生激光。
其次，二氧化碳激光的产生需要一个激发源。通常情况下，二氧化碳气体会被
放置在一个充满电子的管道中，通过电子的碰撞激发来产生激光。当电子与二氧化碳分子碰撞时，会将分子的振动能级提升，从而产生激光。
接着，我们需要了解二氧化碳激光的放大原理。在激光管中，二氧化碳分子受
到激发后会发射出光子，这些光子会与周围的二氧化碳分子发生碰撞，从而使更多的分子受到激发。这种过程会导致光子的数量呈指数增长，最终形成强大的激光束。
最后，我们需要了解二氧化碳激光的输出。一旦二氧化碳分子达到一定的能级，就会产生激光输出。这种激光输出具有特定的波长和频率，可以用于各种应用，如切割、焊接、医疗等。
总的来说，二氧化碳激光的原理是通过激发二氧化碳分子的振动能级来产生激光，并通过放大和输出来实现各种应用。这种激光具有高能量、高功率、高效率的特点，因此在工业和医疗领域有着广泛的应用前景。希望通过本文的介绍，读者对二氧化碳激光的原理有了更深入的了解。
德国通快轴快流CO2激光器课件
按工作方式分类
连续激光器和脉冲激光器。
按波长分类
可见光激光器、红外激光器和 紫外激光器等。
激光器的应用领域
01
02
03
04
工业制造
激光切割、焊接、打标和表面 处理等。
医学领域
激光手术、光动力治疗和激光 美容等。
通信领域
光纤通信和量子通信等。
科研领域
光谱分析、物理实验和天文学 观测等。
02
德国通快轴快流CO2激光器技术特点
激光器结构与工作原理
激光器结构
德国通快轴快流CO2激光器采用 先进的轴快流技术，结构紧凑， 体积小，方便集成到各种生产线 上。
工作原理
激光器通过放电管中的CO2气体 ，在强电场的作用下产生激光， 再通过光学系统聚焦输出。
激光器性能参数
输出功率
德国通快轴快流CO2激光器可提 供高功率的激光输出，满足各种
加工需求。
光束质量
激光器采用先进的轴快流技术，光 束质量优异，可实现精细、高效的 加工。
稳定性与可靠性
激光器具有出色的稳定性和可靠性 ，可长时间连续工作，降低维护成 本。
与其他类型激光器的比较
01
与传统的CO2激光器相比，德国 通快轴快流CO2激光器具有更高 的光束质量和更稳定的性能。
02
与光纤激光器相比，德国通快轴 快流CO2激光器具有更高的输出 功率和更广泛的加工范围。
第三章--轴快流二氧化碳激光器(1++h)
第七章
轴快流CO2激光器
轴快流激光器光学谐振腔结构图
第七章
轴快流CO2激光器
（2）输出窗口和尾镜
输出窗口及尾镜结构图
第七章
轴快流CO2激光器
7.2.4 输出特性 轴快流CO2激光器是自持放电CO2激光器中电 光转换效率最高的一种激光器。选择最佳的CO2 : N2 : He的混合比，降低E/N比，最佳气体压力和 最佳输出窗口的透过率，可获得最佳的电光转换 效率。
2013-9-11 激光器件原理与设计 4
第七章
轴快流CO2激光器
（3）增加湍流： 层流状态：径向速度和温度分布梯度大。 湍流状态：可大大增加二维扩散和热传导，还可使得温度径向 分布均匀。(又称为乱流、扰流或紊流 ) （4）增加预电离或外界电离源提高放电均匀性。 3. 放电激励技术多样化 直流高压（DC）放电 、高频激励 射频放电（RF放电） 2MHz～150MHz 连续输出和脉冲输出
第七章
轴快流CO2激光器
（1）快速对流冷却：采用风机和热交换器冷却工作气体， 快速替代加热过工作气体，输出功率取决于气体质量流 量，质量流量为1g/s时，能获得120~150W激光功率。 （2）扩散传导冷却：热量→管壁→冷却水，单位长度输 出功率50~80W/m（两米以上管），一千瓦激光器需 15m长激光管，体积大，稳定性差，长度放大；新型板 条激光器，面积放大。
二氧化碳激光器结构原理
二氧化碳激光器结构原理
二氧化碳激光器是一种常用的激光器，其结构原理主要由激光介质、泵浦源、光学腔和输出耦合等组成。下面将详细介绍二氧化碳激光器的结构原理。
二氧化碳激光器的激光介质是二氧化碳气体，其分子结构为O=C=O。该气体在大气压下处于低激发态，当受到能量的激发时，分子内的电子跃迁到高激发态。在高激发态上的电子很快通过非辐射过程退激到低激发态上，同时释放出能量，这些能量以光子的形式辐射出来，形成激光。
二氧化碳激光器的泵浦源主要是通过电流或能量传递的方式来激发二氧化碳气体。最常用的泵浦源是电子束泵浦和放电泵浦。电子束泵浦通过加热阴极来产生电子束，电子束经过二氧化碳气体时与气体发生碰撞，将能量传递给气体分子，从而激发激光介质。放电泵浦则是通过在二氧化碳气体之间施加高压电场，使气体发生电击放电，激发激光介质。
接下来，二氧化碳激光器的光学腔起到放大和反射激光的作用。光学腔是由两个反射镜组成的，其中一个是全反射镜，另一个是半透镜。激光在光学腔内来回反射，每次反射时都经过激光介质，从而得到放大。全反射镜使激光光线在光学腔内多次反射，增强激光的强度，而半透镜则允许一部分激光穿过，形成输出光束。
二氧化碳激光器的输出耦合是控制激光输出功率和光束质量的重要组成部分。通过调整半透镜的位置，可以改变激光通过半透镜的比例，从而控制输出光束的功率。此外，还可以通过使用光学元件如棱镜或光栅来调整和修正激光光束的方向和形状，以满足不同应用需求。
总结起来，二氧化碳激光器的结构原理主要包括激光介质、泵浦源、光学腔和输出耦合。激光介质是二氧化碳气体，泵浦源通过电流或能量传递的方式来激发气体分子，光学腔用于放大和反射激光，输出耦合控制激光的输出功率和光束质量。通过这些组成部分的协同作用，二氧化碳激光器能够产生高功率和高能量的激光，广泛应用于材料加工、医疗美容、科学研究等领域。
二氧化碳激光器发光原理
二氧化碳激光器发光原理
激光技术作为一种重要的现代光学技术，在众多领域中得到了广泛应用。而二氧化碳激光器作为其中一种常见的激光器，其发光原理是怎样的呢？
二氧化碳激光器是一种基于分子能级跃迁的激光器。它的工作物质是由二氧化碳（CO2）分子构成的活性气体混合物，在激发态和基态之间发生能级跃迁，从而产生激光辐射。
具体来说，二氧化碳激光器的发光原理包括三个关键步骤：能级激发、跃迁放出和光放大。
能级激发是二氧化碳激光器发光的基础。当二氧化碳气体被高频电流或电子束激发时，分子中的电子会跃迁至高能级态，形成激发态分子。这种能级跃迁是通过碰撞和吸收外界能量实现的。
跃迁放出是指激发态分子经过一段时间后，由高能级态向低能级态跃迁并释放出能量。在二氧化碳激光器中，这种跃迁放出主要是通过非辐射跃迁实现的，即分子与周围气体碰撞而损失能量。
光放大是二氧化碳激光器发光的关键环节。在激发态分子跃迁到低能级态时，会产生与波长相对应的激光辐射。这个过程是通过分子中的振动和转动能量转移来实现的。激光辐射会在二氧化碳激光器的工作介质中得到放大，然后通过光学谐振腔中的反射，不断增强
激光的能量，最终形成高强度、单色性好的激光束。
总结起来，二氧化碳激光器的发光原理是通过能级激发、跃迁放出和光放大三个步骤实现的。这个过程利用了二氧化碳分子的特性，通过能级跃迁来释放出激光辐射。二氧化碳激光器以其高功率、高效率和多波长输出的特点，在材料加工、激光医学、激光雷达等领域得到了广泛应用。
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维护
免维护
80
设计：李波
81
设计：李波
1、32路输入模块
2、32路输入模块 3、RM2-DP12模块 4、数码管状态显示 5、Profibus DP接口 6、+24V电源 7、扩展槽 8、32路输出模块 BE1-BE4：输入插槽 BA1-BA4：输出插槽
82
模块地址编码
设计：李波
83
RM2-DP12模块
22
轴快流CO2激光器常用激光谐振腔
设计：李波
尾镜
窗口
单折腔 U形多折腔
矩形多折腔
23
谐振腔结构
设计：李波
US：转折镜
RS：尾镜
AS：窗口
24
Trumpf12000谐振腔结构
设计：李波
光桥要求：
1、温度稳定性好
2、抗形变性能好 3、防振性能好
1、角镜体
2、光桥
3、回气座
4、输出镜座
25
设计：李波
热交换器
56
设计：李波
1、叶轮 2、外壳 3、扩散器 A、气体入口 B、气体出口
57
设计：李波
1、扩散器
2、叶轮
58
风机结构
设计：李波
1、叶轮 2、上保护轴承 3、转子（永磁） 4、定子 5、下保护轴承 6、驱动轴 7、磁板
59
定子
设计：李波
1、水冷
2、开口
3、线圈
4、电机电缆
5、电机温度电缆
设计：李波
84
输入模块
设计：李波
85
输出模块
设计：李波
86
射频电源控制模块
设计：李波
87
射频电源控制模块
设计：李波
9、数码管状态显示 10，11、控制板 13、+5V，+\-15V电源
14、24V电源
1、A7通信接口板(RS232,Canbus) 2、A8 Profibus接口板 3、Profibus接口 4、A10安全联锁接口板 5、X8测量插头 6、扩展板
27
尾镜
GaAs（镀膜） 1.65’’
99.7%
设计：李波
1、调节垂直方向 2、调节水平方向
28
模式检测工具
设计：李波
1、热敏板
2、紫外灯
29
检测示意图
设计：李波
1、热敏板
2、紫外灯
3、激光束（尾镜）
30
设计：李波
未调整好的模式分布
调整好的模式分布
31
激光烧斑图样
设计：李波
32
扩束镜
设计：李波
高功率轴快流CO2激光器原理结构
设计：李波
1
设计：李波
轴快流CO2激光器基本原理
2
光的受激辐射
设计：李波
3
CO2激光器的受激辐射
设计：李波
4
激光工作原理：
设计：李波
激光工作物质 全 反 射 镜 半 反 射 镜
out 光放大原理
5
激光的特性
设计：李波
单色性
相干性
方向性
6
激光模式
设计：李波
TEM00 Mode <1000Watts
设计：李波
51
设计：李波
Trumpf CO2气体循环冷却
52
免维护磁悬浮涡轮风机
设计：李波
罗茨风机
涡轮风机
磁悬浮涡轮风机
53
气体循环原理图
设计：李波
54
风机罩
设计：李波
1、涡轮风机 2、叶轮 3、风机罩 4、热交换器 5、翅片管 6、冷却水入口 7、气体入口 8、气体出口
55
设计：李波
涡轮风机
60
设计：李波
1、正弦波滤波器
2、变频器
3、混合滤波器
4、操作面板KP100 61
风机控制原理
设计：李波
1、滤波器 2、整流器 3、变频器 4、中间电路5、制动斩波器 6、磁轴承控制器 7、逆变器 8、正弦波滤波器 9、涡轮风机
62
磁轴承控制器
设计：李波
63
1、径向传感器，上 2、径向磁轴承，上 3、控制器MBE-50 4、轴向磁轴承 5、保护轴承，上 6、轴向传感器 7、驱动轴 8、转子 9、定子 10、保护轴承，下 11、径向磁轴承，下 12、速度传感器 设计：李波 13、径向传感器，下
轴快流CO2激光器
9
直流激励轴快流CO2激光器
设计：李波
10
射频激励轴快流CO2激光器
射频电源
3 1
Βιβλιοθήκη Baidu
设计：李波
激光器谐振腔
匹配网络
2
2
激 光 器 中 央 控 制 系 统
7
7
8
全自动混气单元
6
4
冷水机 气体循环冷却系统
5
N2
CO2
He
Air
1 激光谐振腔 2 谐振腔镜片 3 放电电极 4 涡轮风机 5 真空泵 6 电磁阀 7 风机出气口换热器 8 风机进气口换热器
C、射频电源控制模块
78
设计：李波
TASC3 控制系统
1、软驱
2、电源 3、射频电源控制模块
4、多功能板
5、扩展插槽 6、CP600S嵌入式系统 7、Profibus从模块 8、Profibus主模块
79
主控制器
设计：李波
CP 600-S
处理器 存储 操作系统
奔腾133M 32M Ram 8M flash Vx Works
64
设计：李波
1、供电电源 2、控制电源 3、控制器 4、磁轴承驱动 5、传感器信号处理 6、数字接口 7、LCD显示 A、到磁轴承的信号 B、磁轴承返回信号
65
风机启停曲线
设计：李波
66
气体混和器
设计：李波
气体混和气将三种工作气体按照 特定的比例混合后冲入到激光器 真空腔内。
67
气体混合器原理图
D Mode 1000-4000Watts
Q Mode >4000Watts
7
光束质量参数
设计：李波
8
轴快流CO2激光器的诞生
设计：李波
轴快流CO2激光器是在早期的封离式圆形玻璃管纵向激 励CO2激光器的基础上发展而来的。 1965年，Bridge和Petel将放电管壁的温度冷却到60ºC以下来提高激光器的输出功率。 Moeller, Rigder[8]以及Patel[9]等人则采用风冷和水冷的方式来 使放电管冷却。 1969年Cool等人将快速流动技术引入到了这种激光器 中，通过工作气体的高速流动来使其冷却，从而获得 了较高功率的激光输出。
1、窗口
2、尾镜
3、转折镜
4、转折镜安装组件
26
谐振腔镜片
镜子类型 转折镜 材料 铜（镀膜） 直径 60mm 反射率
≥99.7% p-偏振方向 ≥99.9% s-偏振方向
设计：李波
曲率半径 平面
输出镜
ZnSe（镀膜） 1.65’’
40%
外面：30 mcx 里面：30 mcc 外面：平面 里面：30 mcc
15
重大行业应用
设计：李波
现代船舶制造中已开始大量使用的轻型“三明治”多层空心结构厚钢板的 切割加工，更是对万瓦轴快流激光切割装备提出了迫切需求。
德国Trumpf公司的12kW--20kW轴快流CO2激光器已用于世界上许多大型船 厂的生产线上，可大大提高船舶的有效载荷，并大幅度减低制造成本。 日本的Kawasaki重工等造船企业已经安装了高功率激光平板切割系统。德国的 16 Meyer Werft也安装了四台12KW的CO2激光器，用来焊接不同长度的船体加强杆
设计：李波
14
激光切割的市场需求
设计：李波
德国Trumpf推出了功率高达12kW的CO2激光复合加工机和功率高达 15kW的三维CO2激光切割机，表明了激光加工装备的高功率发展趋势！
德国Trumpf 12kW-CO2激光切 割、焊接和表面处理复合加工机
德国Trumpf 的15kW-CO2 激光三维激光切割机
设计：李波
73
Trumpf激光器功率采集
1、尾镜 3、冷却水
设计：李波
2、功率传感器 4、模拟量采集
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设计：李波
Trumpf CO2激光器控制系统
75
控制系统结构图
设计：李波
76
Profibus连接原理图
设计：李波
77
设计：李波
1、Profibus通信电缆
2、以太网线
A、TASC3控制系统 B、BUSCH IO模块
电源简单，无辐射污染。
37 37
放电结构
设计：李波
1、玻璃管
2、放电区
3、放电电极
38
射频放电特点
设计：李波
电极位于放电管外，是电容耦合的横向放电(放电方向垂直 于光束方向)； 电极形状要求严格，以提高放电的对称性； 起辉电压低； 放电均匀稳定，无可见的放电辉光抖动； 易于调制，调制脉冲频率可达100kHz； 电源复杂，易产生辐射污染，电源及放电管须进行屏蔽。
设计：李波
Trumpf轴快流CO2激光器概述
17
激光器构成
设计：李波
冷水机 控制系统 射频电源
激光发生器 操作面板
18
激光发生器构成
设计：李波
热交换器
涡轮风机
激光谐振腔
光闸
功率计
激光器支撑
19
激光谐振腔构成
设计：李波
转折镜
窗口与尾镜
放电管
20
基本工作原理
设计：李波
21
设计：李波
Trumpf CO2激光器谐振腔
88
射频功率反馈
设计：李波
89
射频功率控制
设计：李波
90
射频电源控制信号
设计：李波
RF ON
RF OFF
91
设计：李波
连续模式
脉冲模式
92
连续工作模式
设计：李波
93
连续工作模式
设计：李波
94
设计：李波
门控频率=200Hz
95
设计：李波
门控频率=5000Hz
96
设计：李波
门控频率=50000Hz
46
阻抗匹配布置
设计：李波
1、左匹配器
2、右匹配器
AS：窗口
47
反射功率变化曲线
设计：李波
48
匹配网络对反射功率的影响
设计：李波
a、正常的匹配曲线
b、增长串联线圈
c、减小串联线圈
49
放电建立时间
设计：李波
50
匹配失调的原因 1、工作气压 2、气体比例变化 3、气体纯度 4、气体温度(冷却系统故障) 5、射频功率幅值 6、射频连接 7、射频电缆或电极物理位置 8、参数MD48错误 9、反射功率计故障
11
轴快流激光仍将是工业加工中的主流激光器
设计：李波
• 薄板+ 3D切割： 光纤激光器占优 • 厚板+非金属/金属+切割+ 价格： CO2激光器具有明显优势
来自德国“Fraunhofer研究所”研究结果 12
Trumpf最新10kW激光器
设计：李波
13
HUST&OVL Convergent研究成果
1、凹面镜
a、进入的光束直径
2、凸面镜
b、离开的光束直径
采用扩束镜延长激光加工的可用光程，在飞行光路激光加工中广泛应用。
33
光闸
设计：李波
34
设计：李波
Trumpf CO2放电结构
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直流放电结构
设计：李波
36
36
直流放电特点
设计：李波
电极位于放电管内，放电方向与光束方向一致； 可以有多种电极结构； 起辉电压高，一般要使用触发电极； 易产生放电不稳定性，要求在阳极形成湍流； 不易调制：工频直流电源，调制频率一般最大为2kHz， 开关电源，调制频率一般最大为5kHz；
39
39
高功率连续放电（85mA）
设计：李波
放电管4.2
放电管4.3
40 放电管4.1
射频放电
设计：李波
41
41
多根放电管串联
设计：李波
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两种放电结构
设计：李波
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阻抗匹配
设计：李波
射频电源
13.56MHz
50欧姆
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阻抗匹配器
设计：李波
45
阻抗匹配布置
设计：李波
为每台电源配置一个阻抗匹配器
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设计：李波
负载周期TV
脉冲宽度 X 100 % 脉冲宽度 间歇宽度
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设计：李波
99
斜坡模式
设计：李波
100
设计：李波
101
设计：李波
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激光器工作过程中的气压曲线
设计：李波
1、抽气 2、自动净化 3、充气 4、Beam off 5、Beam on 6、Beam off 7、关机
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气压控制原理
设计：李波
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设计：李波
Trumpf CO2激光器功率检测
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功率检测方法－输出激光采样
设计：李波
72
功率检测方法－尾镜取样检测