高功率轴快流CO2激光器原理结构
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。
3. CO2分子的能级结构为了更好地理解二氧化碳激光器的工作原理，需要了解CO2分子的能级结构。
CO2分子是由一个碳原子和两个氧原子组成的。
它的能级结构如下所示：•基态：所有的电子都处于能级最低的状态。
优选高功率轴快流激光器原理结构
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重大行业应用
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。
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。
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激光切割的市场需求
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
外面：30 mcx 里面：30 mcc
外面：平面 里面：30 mcc
1、调节垂直方向 2、调节水平方向
模式检测工具
1、热敏板 2、紫外灯
检测示意图
1、热敏板 2、紫外灯 3、激光束（尾镜）
未调整好的模式分布
调整好的模式分布
激光烧斑图样
扩束镜
1、凹面镜
2、凸面镜
a、进入的光束直径 b、离开的光束直径
功率计
激光器支撑
激光谐振腔构成
转折镜 放电管
co2 激光 工作原理
co2 激光工作原理
CO2激光器的工作原理是基于气体放电放出带有特定波长的
激光光束。
CO2激光器的主要组成部分包括一个带有金属电
极的放电管和能量供给系统。
CO2激光器内的放电管由一个CO2混合气体组成，主要包括CO2分子、N2分子和He原子。
当高压电流通过放电管时，
气体分子被电离，形成电子和正离子。
在电场的作用下，电子与气体分子发生碰撞，使气体分子激发到高能级。
当气体分子从高能级跃迁到低能级时，会释放出一定的能量，这部分能量被传递给CO2分子。
CO2分子在受到能量激发后，会发生自
发辐射跃迁，产生同轴分布的中红外光。
这种中红外光具有波长约为10.6微米，相对较长的波长。
放电产生的辐射能量随后被反射镜聚焦形成束流，并通过光学系统进行调整和合束，最终形成一个高功率、高能量的CO2
激光束。
该激光束可以在空气中传播，用于切割、打孔、焊接、刻蚀等应用。
同时，CO2激光器还可以通过调整参数，实现
连续波或脉冲工作模式，以满足不同应用的需求。
第3章_二氧化碳激光器
与生物组织作用时，几乎全被生物组 织200μm内的表层吸收，稳定性较好， 医学上应用广泛。
• 在CO2激光器的放电管内充有CO2、N2、 He等混合气体，其配比和总气压可以在一 定范围内变化(一般是：CO2：N2：He＝ 1:0.5:2.5总气压为1066.58Pa)。任何分子都
由于以上跃迁具有同一上能级,而且 0001→1000跃迁的几率大得多,所以C02激光 器通常只输出10.6μm激光。若要得到 9.6um的激光振荡,则必须在谐振腔中放置波 长选择元件抑制10.6um激光振荡。
三、 CO2激光器的输出特性 (1) 放电特性
相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激 光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有 关。
第3章 二氧化碳激光器
5.2.2 二氧化碳激光器
C02激光器的主要特点是输出功率大,能量转换效率高,输出波长(10.6um) ，广泛用 于激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。
C02激光器以C02、N2和He的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在C02分子的电子 基态的两个振动-转动能级之间。N2的作用是提高激光上能级的激励效率,则有助于激光下 能级的抽空。
英管壁传导散热，故其热导率低，注入功率和激光
功率受工作气体温升的限制，每米激光管的输出功 率在50～70W之间，由于工作气体在放电过程中 有分解，故其输出激光功率随运行时间延长而逐渐
下降．其优点是结构简单，维护方便，造价和运行
费均较低，在加工中若仅需数百瓦级激光功率时， 采用此种准封离型CO2激光器是适宜的．
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。
总的来说，CO2激光器凭借其高功率和高质量的激光束，以及广泛的波长范围，成为各个领域中重要的激光工具。
它们的应用领域在不断扩展和创新，未来将会发展出更多的应用领域。
二氧化碳气体激光器的工作原理
二氧化碳气体激光器的工作原理
二氧化碳气体激光器的工作原理可以简单概括为三个步骤：能级激发、能级跃迁和光放大。
首先，通过电子激发或其他外部能量输入，将二氧化碳气体中的分子激发到高能级。
这个过程需要提供足够的能量，以克服分子内部的束缚力，使分子中的电子跃迁到高能级。
接着，激发到高能级的二氧化碳分子会在非常短的时间内经历自发辐射的过程，即能级跃迁。
在这个过程中，激发态的电子会从高能级跃迁回到低能级，释放出能量。
最后，通过在激发态和基态之间建立的光学谐振腔，将激发态返回基态的过程中释放出的能量进行放大。
这个过程发生在由两个反射镜构成的光学谐振腔内，其中一个镜子是部分透明的，使得一部分光线可以逃逸出来，形成激光输出。
二氧化碳激光器的典型能级跃迁路径是从振动激发态到振动基态。
由于二氧化碳分子的能级结构，二氧化碳激光器通常在10.6微米的波长范围内工作。
此外，交变电场可以使CO2分子发生共振吸收，吸收的能量被转化为分子内振转和振动能，从而提高CO2分子的内能，达到激发的目的。
程控装置可以根据需要调整激发电流的频率和脉冲宽度，以控制激光输出的功率和作用时间。
二氧化碳气体激光器的工作原理涉及到能级激发、能级跃迁、光放大和共振吸收等过程，通过这些过程产生高能量、高度聚焦的激光束。
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。
5. 光电转换效率高：CO2激光的光电转换效率在短波段激光中较高。
这是因为CO2分子的振动态较长，光束的损失较小。
同时，CO2分子的激发态持续时间较长，也有利于提高光电转换效率。
三、二氧化碳激光的应用领域1. 材料加工：CO2激光在材料切割、焊接、打孔等方面具有出色的加工效果。
二氧化碳(CO2)激光器介绍
二氧化碳(CO2)激光器介绍二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器，其波长为10.6微米附近的中红外波段。
其通过连续波、脉冲和高能量超脉冲技术以不同的能量和时间照射人体皮肤组织，组织吸收激光能量后主要发生光热反应，可使皮肤组织切割、汽化、碳化、凝固或适当变性，达到祛除病变，同时止血或结痂，改变皮肤肌理，达到治疗或理疗的目的。
二氧化碳(CO2)激光器原理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。
二氧化碳(CO2)激光治疗仪器作用（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。
第三章--轴快流二氧化碳激光器(1++h)
第七章 轴快流CO2激光器引言+感想高功率轴快流CO2激光是切割、焊接的主力光源。
真正实现高功率、高光束质量、高效率。
历史上，美国PRC的轴快流一统天下，占领中国市场。
德国ROFIN合资公司南京东方挤走美国，风光一时。
近年来，武汉科威晶，引领中国，亚洲最大。
激光哲学思考：轴快流是实现CO2激光器从低功率走向高功率、高光束质量的唯一出路。
7.1 高功率流动CO2激光器共性技术7.2 轴快流CO2激光器原理结构7.3 主要轴快流CO2激光器展示7.1 高功率CO2激光器共性技术1. 工作气体快速冷却：CO2激光器电光转换效率为10%~20%，其余能量将转换成热能使气体加热。
气体温度达300ºC时，不存在粒子数反转，无激光输出；高于150ºC时，电光转换效率明显下降，必须快速降温。
高功率CO2激光器哲学问题：不流动---流动---不流动第七章 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。
第七章 轴快流CO2激光器2. 大体积放电的均匀性和稳定性高功率气体放电电流、电压、气体温度都较高，辉光放电正柱区热不稳定性和电弧收缩现象严重。
这是高功率CO2激光器的关键技术。
（1）气体快速流动将不稳定扰动因素带出放电区。
（2）将大体积放电区分成小放电区分别加以控制。
横流CO2激光器将阴极或阳极分成许多小块；纵流CO2激光器采用多段放电区串联。
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。
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。
德国通快轴快流CO2激光器课件
由于激光的光子具有相同的频率，因 此激光的波长范围非常窄，具有极高 的单色性。
光的放大
通过反射镜和增益介质（如气体、固 体或液体）的相互作用，光子在增益 介质中得到放大，形成强大的激光束 。
激光器的分类
按工作物质分类
固体激光器、气体激光器、液 体激光器和半导体激光器等。
按输出功率分类
低功率、中功率、高功率和超 高功率激光器。
04
德国通快轴快流CO2激光器的维护与保 养
激光器的日常维护
保持激光器工作区域清洁
定期清理激光器表面灰尘和杂物，确保工作区域无尘、无污染。
检查冷却系统
确保激光器的冷却系统工作正常，冷却水温度、流量等参数正常。
检查电源和电缆
确保激光器的电源稳定，电缆连接良好，无松动或破损。
激光器的定期保养
清洁光学镜片和反射镜
01
定期使用专用清洁剂清洁光学镜片和反射镜，保持光路畅通无
阻。
检查激光管老化情况
02
定期检查激光管的老化程度，如有需要，及时更换老化激光管
。
校准激光器参数
03
定期校准激光器的各项参数，确保激光器的性能稳定。
常见故障及排除方法
01
02
03
激光功率下降
检查激光器的工作电流、 冷却系统、电源等，找出 功率下降的原因并排除故 障。
打标工艺
总结词
高对比度、永久性标记
详细描述
利用轴快流CO2激光器进行打标，可在各种材料表面形成高对比度、永久性的标记，广泛应用于产品追溯、品牌 标识等领域。
其他应用领域
总结词
表面处理、微加工、增材制造
详细描述
轴快流CO2激光器在表面处理、微加工和增材制造等领域也有广泛应用。其精细的光束直径和高能量 密度使得这些复杂工艺得以实现。
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。
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
引言+感想
高功率轴快流CO2激光是切割、焊接的主力光源。真正实现高功率、 高光束质量、高效率。历史上，美国PRC的轴快流一统天下，占领 中国市场。德国ROFIN合资公司南京东方挤走美国，风光一时。近 年来，武汉科威晶，引领中国，亚洲最大。 激光哲学思考：轴快流是实现CO2激光器从低功率走向高功率、高 光束质量的唯一出路。 7.1 7.2 7.3 高功率流动CO2激光器共性技术 轴快流CO2激光器原理结构 主要轴快流CO2激光器展示
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。
第七章
轴快流CO2激光器
（4）射频放电电极
第七章
轴快流CO2激光器
射频放电特点
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。
1
7.1 高功率CO2激光器共性技术
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常见的激光器，它利用二氧化碳气体作为工作介质，通过电子激发来产生激光。
二氧化碳激光器具有高功率、高效率和较好的束流品质等优点，因此在医疗、工业加工、通信等领域得到广泛应用。
本文将从二氧化碳激光器的工作原理、结构特点和应用领域等方面进行介绍。
首先，二氧化碳激光器的工作原理是基于气体激光器的原理。
在二氧化碳激光器中，二氧化碳气体充当激光介质，通过外加能量激发气体分子的能级，使其处于激发态。
当气体分子回到基态时，会释放出光子，形成激光。
这种激光的波长通常在10.6微米左右，属于红外光谱范围。
二氧化碳激光器通常采用气体放电的方式来提供能量，通过电极产生电场，激发二氧化碳气体分子。
在激光共振腔中，激发的二氧化碳气体分子与共振光腔中的光子发生能级跃迁，从而产生激光输出。
其次，二氧化碳激光器的结构特点主要包括激发系统、共振腔和输出耦合系统。
激发系统通常采用电极和放电介质，通过电子束或放电激发二氧化碳气体。
共振腔由两个反射镜构成，其中一个镜子部分透明，用于输出激光。
共振腔中还包括光学增益介质，用于增强激光的能量。
输出耦合系统用于调节激光输出的功率和模式，通常采用反射镜或光栅等光学元件。
这些结构特点保证了二氧化碳激光器的稳定输出和高效工作。
最后，二氧化碳激光器在医疗、工业加工和通信等领域有着广泛的应用。
在医疗领域，二氧化碳激光器常用于皮肤手术、整形美容和眼科手术等，具有创伤小、愈合快的优点。
在工业加工领域，二氧化碳激光器可用于切割、焊接、打标等工艺，具有高效、精密的特点。
在通信领域，二氧化碳激光器可用于光纤通信、激光雷达等应用，具有大功率、远传输距离的优势。
综上所述，二氧化碳激光器是一种重要的激光器，其原理基于气体激光器，具有高功率、高效率和较好的束流品质等优点。
二氧化碳激光器在医疗、工业加工和通信等领域有着广泛的应用前景，对于推动相关领域的发展具有重要意义。
CO2激光器基本原理
CO2激光器基本原理CO2激光器是一种基于二氧化碳(g)分子的工作介质，利用能够产生激光的光学电子能级跃迁，实现激光发射的一种装置。
CO2激光器具有高功率、高效率和高束稳定性的特点，广泛应用于医学、工业加工、通信等领域。
其基本原理是通过电子和振动能级之间的相互作用，使得二氧化碳分子的能级产生倒置，从而实现激光的产生。
CO2激光器的激发装置通常采用电能激发。
通过电压放电在放电管中激发电子，使其处于激发态。
然后，通过碰撞和共效应等作用，将激发态的电子能量转移到二氧化碳分子上，使得二氧化碳分子的能级产生倒置。
这一过程可以分为三个步骤：电子能级的激发、电子与振动能级的相互作用和电子能级的退激。
首先，通过电压放电，在放电管中产生电子。
电子会受到电场的作用，被加速并以高速运动。
在碰撞过程中，电子与基态分子碰撞，将其激发到高能级的振动-转动激发态。
这些激发态具有相对较长的寿命，因此它们可以与二氧化碳分子的振动能级相互作用。
其次，电子激发态和二氧化碳分子的振动能级之间存在一种促进作用，称为共效应。
这种共效应会导致电子能级和振动能级之间的能量交换。
电子激发态能量转移到二氧化碳分子的振动能级，使其能级产生倒置。
即高振动能级人多，低振动能级相对少。
最后，在稳定电压下，电子的激发态会被退激，退回到基态。
在这个过程中，电子释放出能量，将其传递给二氧化碳分子。
这些能量促使二氧化碳分子发生跃迁，激发的能级越高，跃迁能级越高，产生的激光能量越大。
谐振腔起到了放大和增强激光的作用。
谐振腔由两个弯曲的、镀膜反射镜构成，其中一个镜子是半透明的，用来输出激光束。
当二氧化碳分子处于振动能级的倒置状态时，光子在谐振腔中被多次反射，被放大和增强。
最终，激光通过输出耦合装置从激光器中输出。
总结来说，CO2激光器的基本原理是通过电压放电产生激发态的电子，然后电子与二氧化碳分子发生共效应，使得二氧化碳分子的振动能级产生倒置。
最后，通过激光谐振腔和输出耦合装置的作用，实现激光的输出。
二氧化碳激光器的构造
二氧化碳激光器的构造
二氧化碳激光器是目前最常用的激光器之一，广泛应用于医疗、工业、科研等领域。
它使用二氧化碳分子的振动能级转移产生激光，具有高效、稳定、光束质量好等特点。
下面我们来了解一下二氧化碳激光器的构造。
1. 管体
二氧化碳激光器的管体通常是由石英和金属材料制成的。
石英管内充满了混合气体，通常是二氧化碳、氮气和氦气。
金属外壳主要是为了保护管体免受外部环境的影响。
2. 反射镜
激光器需要一个外部电源才能工作，这个电源向管体输送高频电能，使混合气体放电并产生激光。
激光由管体两端的反射镜反射回来，产生光谱满足相干放大波，回转镜带来光束的放大。
反射镜通常采用高反射率的金属材料（如铜和银），反射率达到99%以上。
3. 高频电源
二氧化碳激光器需要高频电源来为管体输送能量。
这个高频电源通常是由两个电极、一个电容器和一个电感器组成。
当外部电源施加电压时，电容器会被充电，储存能量。
随着频率的增高，电容器会放电，导致电感器中的电流增加。
电流在管体中产生放电，使混合气体分子激发到其振动能级，产生激光。
4. 激光输出口
激光输出口通常位于激光器的一侧，用于输出激光。
输出口可以采用窄缝或光学棱镜式，以控制激光的输出模式和束径。
窄缝输出口可防止非主模式锥头的产生，增加单模式下激光的纵模功率密度和功率射流方向的稳定性，窄缝长而宽，避免透过过多的纵模。
总之，二氧化碳激光器的构造比较复杂，包括管体、反射镜、高频电源、激光输出口等组件。
每个组件都发挥着重要的作用，它们合作协同，形成了一个完整的激光器系统。
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设计：李波
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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
D Mode 1000-4000Watts
Q Mode >4000Watts
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光束质量参数
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轴快流CO2激光器的诞生
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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。
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射频功率反馈
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射频功率控制
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射频电源控制信号
设计：李波
RF ON
RF OFF
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设计：李波
连续模式
脉冲模式
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连续工作模式
设计：李波
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连续工作模式
设计：李波
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设计：李波
门控频率=200Hz
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设计：李波
门控频率=5000Hz
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设计：李波
门控频率=50000Hz
设计：李波
Trumpf轴快流CO2激光器概述
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激光器构成
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冷水机 控制系统 射频电源
激光发生器 操作面板
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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
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基本工作原理
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设计：李波
Trumpf CO2激光器谐振腔
设计：李波
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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
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控制系统结构图
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Profibus连接原理图
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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
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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
69
气压控制原理
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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
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功率检测方法－尾镜取样检测
C、射频电源控制模块
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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
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CP 600-S
处理器 存储 操作系统
奔腾133M 32M Ram 8M flash Vx Works
维护
免维护
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设计：李波
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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
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83
RM2-DP12模块
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
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3
CO2激光器的受激辐射
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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
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单色性
相干性
方向性
6
激光模式
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TEM00 Mode <1000Watts
热交换器
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设计：李波
1、叶轮 2、外壳 3、扩散器 A、气体入口 B、气体出口
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设计：李波
1、扩散器
2、叶轮
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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
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输出模块
设计：李波
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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
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
35
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；
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
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
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
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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
设计：李波
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设计：李波
Trumpf CO2气体循环冷却
52
免维护磁悬浮涡轮风机
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罗茨风机
涡轮风机
磁悬浮涡轮风机
53
气体循环原理图
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风机罩
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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
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设计：李波
涡轮风机
27
尾镜
GaAs（镀膜） 1.65’’
99.7%
பைடு நூலகம்
设计：李波
1、调节垂直方向 2、调节水平方向
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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
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
42
两种放电结构
设计：李波
43
阻抗匹配
设计：李波
射频电源
13.56MHz
50欧姆
44
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
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