第四章-射频板条CO2激光器讲课教案

第四章 射频板条CO2激光器

唐霞辉教授

激光加工国家工程研究中心

2013-3-26

射频板条CO2激光器是高功率连续CO2激光器的历史进化最高水平，从哲学上讲，实现由不流动---流动----回到不流动。目前最高水平德国RIFON。每年进口600台。工程技术难度极大。

第四章 扩散冷却射频板条CO2激光器4.1 扩散冷却的基本结构及原理

4.2 射频激励技术

4.3 非稳波导混合腔

4.4 光束整形

4.5 ROFIN射频板条产品

4.6 国产化研究进展

大功率射频电源设计与开发 射频气体放电理论与参数测试非稳波导混合谐振腔

高精度射频板条电极设计与加工光束整形设计匹配网络与并联谐振技术

射频板条CO2激光器结构及关键技术框图

4.1射频板条CO2激光器基本结构及原理

1.扩散冷却CO 2激光器原理====面积放大概念

玻璃管激光器长度放大：激光器工作时所产生废能热传导扩散到放电管管壁，然后由水冷套中的冷却水带走。注入电功率，即

式中k g 为气体的热传导系数，∆T max 为最大允许温升，ηQ 为量子效率，l 为放电管的长度。这类激光器的输出功率仅和放电长度有关。

l T k P Q

g in πη41max ⋅-∆=

射频板条激光器理论基础----面积放大：放电气体的热量传输到两个相距很近的金属电极上，然后被电极内流动的冷却液带走热量。

作业：玻璃管激光器和射频板条的不同点？

x 0

d Gas

Tg Water cooling T w

T 1 T

1T 2

T 2Water cooling

Tw

式中：h-对流换热系数，K C －电极导热系数， kg－气体热传导系数， A－放电面积，d为放电间隙，∆d为电极板厚度。

射频板条注入功率计算公式----注入功率P in 与面积A成正比

P T h d k d k A

in c g =++⎛⎝ ⎫⎭⎪⎪⋅∆∆m ax 1228

由上式知，在给定放电区内最大允许温升情况下：a) 与放电面积A成正比，即具有注入功率“面积放大”功能。

b) 随着放电间隙的增加而下降，减小放电间隙有助于提高注入功率密度。

P in P in

1. 激光束

2. 光束整形

3. 输出镜

4. 冷却水出

5. 射频激励

6. 冷却水入

7. 尾镜

8. 射频激励放电区

9. 射频电极7

1

234

8

96

5

射频板条激光器内部基本原理

2.比输出功率P

与电极间距d关系---非常重要设计依据

A

当d>1mm时， P A与d反比关系近似

成立；

当d<1mm时，波导损耗太大，放电

均匀性难以保证，不宜采用；

当d>6mm时，气体的热输运速率下

降；

结论：考虑到d对气体热输运速率的

影响，国际上通常采用的d值多为1～

3mm。实际1.5mm。

3. 射频电极类型

(a) 传统波导结构(b) 刻有凹槽的波导结构(c) 径向弯曲的波导结构

平板波导激光器具有结构简单、放电面积大、输出功率高的优点，具有广泛的应用前景。将射频激励技术与波导CO2激光器相结合。

高功率全部是平板波导！

4.射频放电激励优点

射频波可实现高频幅度调制，其调制频率可达100kHz，这是直流放电激励方式所不能达到的；

射频放电具有正向伏安特性，可实现持续放电，而直流气体放电具有负向伏安特性，须串联限流电阻才能形成持续放电，其限流电阻消耗功率在30%左右。

射频横向放电激励方式工作电压低（约几百伏特，而直流放电激励为几千伏），并且射频激励技术还可以实现外电极放电，从而可以避免电极污染，有助于延长激光器的寿命。

射频横向放电激励方式可实现大面积均匀放电激励和实现单电源输入多通道同时放电均匀激励，因而可按面积比例提高激光器输出功率。

5.非稳波导混合腔---射频板条的独特

（1）定义：谐振腔在一个方向上是稳定的，在稳定方向上，光束被限制在窄的稳定区域内，激光运行于低阶模。在另一个方向上是非稳的，在非稳方向上，光束能展开以充分利用此方向的激活区。

传统非稳定腔问题：在高功率、高增益、大体积的激光器中，广泛采用非稳腔技术获得高光束质量的激光输出。但对于扩散冷却的CO2激光器，其增益系数小于1%cm -1，使用传统的非稳腔不能有效地提取能量。因为对于非对称腔而言，为了获得较好的模式鉴别力，腔的几何放大率M k 必须大，这样导致腔的往返损失1

－1/ 太大而不能获得最佳的能量耦合输出。

稳定--非稳定腔的机理分析

2K M

板条腔分析：一般对于短增益长度的连续CO2激光器其最佳能量耦合输出不超过15%，稳定—非稳谐振腔是解决上述问题一个有效办法，此种谐振腔在一个方向上是稳定的，而在另一方向上是非稳的，这种腔是一种混合腔，同时具有两种腔的特点。

在非稳方向上，光束能展开以充分利用此方向的激活区，而在稳定方向上，光束被限制在窄的稳定区域内，激光运行于低阶模。因此，采用这种腔既能充分利用激活区又能获得好的光束质量（特别是稳定方向只能运行基模时）。

（2）离轴非稳腔：对平板结构的激光器，选取窄方向为稳定方向，另一垂直方向为非稳方向，光轴位于非稳方向的一侧，激光从非稳方向的另一侧的耦合孔输出。作业：射频板条激光器的光腔特点？