二氧化碳激光器

二氧化碳激光器简易设计

物理系

光信息科学与技术

2009112099

指导老师齐新元

同昕

一、二氧化碳激光器的概述

1.简介

1964年，Pater等人首先发现了用CO2气体观察到大约10.6微米的连续破激光作用，（期中还有9.6微米）经过多年对CO2气体见光的研究，今天他一进更成为产品，广泛用于激光加工，医疗，大气通信及其他军事应用领域。

2.特点

(1) 输出功率大。最大功率能达到十万瓦级别并且连续波输出功率，这是惊人的。

(2) 能量转化效率高，可以达到15—40个百分点。

(3) 输出波长（10.6um）

典型的封离式二氧化碳激光器，它是由密封的气体放电管，水冷管，电极、凹面反射镜、平面镜、储气管、回气管以及一些点元器件组成，平面反射镜、全凹反射镜以及放电管组成了激光谐振腔。放电管中所充的气体是CO2-N2-He。

3. CO2 激光器基本工作原理

如下图所示为CO2激光器的产生激光的分子能级图。从图中可以分析得到CO2激光的激发过程，主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入的氦有两个作用：一个是可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空；另一个是实现有效的传热。氮气的加入主要在CO2激光器中起能量传递作用，为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。

泵浦采用连续直流电源激发。它的直流电源原理：直流电压为把接入的交流电压，用变压器提升，经高压整流及高压滤波获得高压电加在激光管上。

CO2激光器的基本工作原理：与其它分子激光器一样，CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动决定了分子的电子能态；二是分子里的原子振动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动——并决定于分子的振动能态；三是分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂，因此能级也很复杂。

CO2激光器产生激光：在放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级

跃迁到高能级上形成粒子数反转从而产生激光。

二、设计方案

设计图

封离式二氧化碳激光器

电源 电极 反射平镜

转向反射镜

冷却水

全反射凹镜

放电管 CO 2

激光束

聚焦镜

谐振腔

功率输出 激光器电源 14.28 DB

AC DC30V 8A

220v 6w

1.5A 35mhz

160w 35Mhz

（使用WORD 绘图工具编辑）

整流滤波 开关电源 振荡器 放大器 匹配网络 调制器

该激光器可以用于激光焊接，通过在输出端加入带辅助气体喷嘴，就可以通过高功率的激光输出进行激光按揭以及对工业零件的加工。

三、 CO2激光器的焊接技术

激光焊接是一种材料连接方法，主要是金属材料之间连接的技术。

它和传统的焊接技术一样，通过将连接区的部分材料熔化而将两个零件或部件连接起来。因为激光能量高度集中，加热、冷却的过程及其迅速，一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料，用激光很容易实现。另一方面，在激光焊接过程中无机械接触，易保证焊接部位不因受力而发生变形，通过熔化最小数量的物质实现合金连接，从而大大提高焊接质量，提高生产率。激光焊的焊缝深度比大，而焊缝热影响区极小，质量好。

例如：金属薄板的焊接，中功率CO2激光器适合焊接1mm以下厚度的金属薄板,如汽车部件，发电机、刮水机、启动机、举窗机等经常使用到的层叠状的硅钢片的固定,过去采用打孔销钉固定，现在可以激光焊接。

电池焊接，锂电池的生产工序如极耳焊接、安全阀焊接、负极焊

接、外壳密封焊接使用激光焊接为最佳工艺，需要配备的激光焊接机

的品种和数量十分巨大。精密仪表零件的激光焊接需求也在增大，如不锈钢压力膜片的焊接、航空仪表外壳的焊接。

通过对于不同激光器的选择，激光器的应用领域也是十分广泛，并且前景良好，激光器的发展有待更多技术人员研究，并将它推上新高度