CO2激光器电源原理框图
高功率轴快流CO2激光器原理结构
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
设计：李波
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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。
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射频功率反馈
设计：李波
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射频功率控制
设计：李波
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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
CO2激光器详解ppt课件
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N2分子的共振能量转移： 电子碰撞激发N2的振动能级的总截面很大。这些被激发的 很大一部分分子将被=1的能级所收集。N2的=1能级与 CO2的0001能级仅相差18cm-1(≈2.510-3eV)，因此，N2与 CO2的基态分子发生碰撞时，N2将激发能量转移给CO2分子， 使之激发到0001能级；这个过程可表示为：
对CO2分子讲，在每一个振动能级上，不是所有J值的转动 能级都存在。在CO2分子中，Q支是禁戒的，只有P支和R支 是非禁戒的。P(20)指的是从上能级J=19到下能级J=20的 跃迁；R(20)指的是从上能级J=21到下能级J=20的跃迁。
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激发过程
激光跃迁可发生在00011000(≈10．6m)和 00010200(≈9．6m)两个过程中。但输出激光主要发生 在00011000过程中。 泵浦主要通过下面两个过程： 电子碰撞激发，这个过程表示为：
图10 (f) 射频激励激光器
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4.准分子光器
准分子(Excimer)是束缚在电子激发态的分子，是一种处 于激发态的复合分子，无稳定的基态。很快自动地离解成 原子或其它分子团，从它产生到消失的时间只有几十毫微 秒。
准分子分两类；一类是同核二聚物(Dimer)如 、Xe2* H等g，2* 另一类是异核型准分子 (Exciplex)，如惰性气体的氧化
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准分子激光器的特点
准分子寿命很短，只有10-8秒，激光跃迁的下能 级是排斥态或寿命非常短(只有10-13秒)的弱束缚 态，这就是说激光下能级总是空的。
与其它分子激光器属于束缚—束缚辐射跃迁的情 形不同，准分子激光器属于束缚-自由辐射跃迁。 由于不存在明确的振动—转动跃迁，所以跃迁是 宽带的。
CO2激光器原理与应用
CO2激光器原理及其应用课程激光原理与技术班级光信息121801班学号 201218010126姓名曾庆苏指导教师杨旭东完成日期 2015.6.15目录前言 (1)激光器简介 (1)一、CO2激光器分类 (2)二、CO2三、CO激光器输出特性及其缺点 (3)2激光器结构 (3)四、CO24.1 激光管 (4)4.2 光学谐振腔 (4)4.3 电源及泵浦 (4)激光器原理 (5)五、CO25.1 CO分子的的能级结构 (5)2分子的振转跃迁 (5)5.2 CO25.3 CO激光器激光上能级的激发过程 (6)25.4 CO激光器激光下能级的弛豫 (7)25.5 CO激光器激光产生 (7)2激光器的应用 (8)六、CO26.1工业应用 (8)6.2医疗应用 (8)6.3军事应用 (9)6.4环境应用 (9)激光器发展特点 (10)七、CO27.1发展历史 (10)7.2发展现状 (10)7.3发展前景 (11)八、结束语 (11)前言：二氧化碳激光于1964年首次运用其波长为10.6μm。
因为这是一种非常有效率的激光，作为商业模型来说其转换效率达到10%，所以二氧化碳激光广泛用于激光切割，焊接，钻孔和表面处理。
作为商业应用激光可达45千瓦，这是目前最强的物质处理激光。
二氧化碳激光器是目前连续输出功率较高的一种激光，它发展较早，商业产品较为成熟，被广泛应用到材料加工、医疗使用、军事武器、环境量测等各个领域，是用最广泛的激光器之一。
二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展，也是光武器和核聚变研究中的重大成果。
论文首先介绍了应用型CO2激光器的基本结构和工作原理，着重介绍了应用型CO2激光器在军事、医疗、工业和环境四个主要领域的应用，最后介绍应用型CO2激光器的发展历史、现状、以及前景。
通过这些介绍使得大家能够加深对CO2激光器的了解和认识。
一、CO2激光器简介1964年，Patel等人首先发现了用CO2气体观察到大约10.6微米的连续波激光作用，（其中还有9.6微米）经过多年对CO2气体激光的研究，今天它已经成为产品，广泛用于各种领域。
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．
第四章-射频板条CO2激光器
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）。
1.扩散冷却CO2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 T max Pin k g 4 l 1 Q 式中kg为气体的热传导系数，Tmax为最大允许温升，Q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。
（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？
该谐振腔由共焦放置的球面镜R1和R2构成 正支非稳腔：凹凸镜：R1-R2=2L
2013-9-17 激光器件原理与设计 19
(b) 输出镜M1上的相位分布
(c) 远场聚焦场
激光器光腔---输出光束
Rofin DC
DC-Training
Rofin DC
DC-Training
Rofin DC
DC-Training
Rofin DC
DC-Training
Rofin DC
DC-Training
Rofin DC
500W激光器激光器原理图
1
J2
1 2 3 4 5 6
红+白(+15V) 黑(0V) 紫+频蔽 绿(HL3) 黄(HL2) 红(HL1)
A
电流变送器
2
+ CHY-50AS/V0 M
+ CHY-50AS/V0 M
+ CHY-50AS/V0 M
J1
3
4
5
6
7
8
10mm L1 L2 L3 N
4mm
4mm
4mm
Hale Waihona Puke 28 N滤波器DL-2AD1
J5
abc
6mm
高压
13 14 15
风机
16 17 18
真空泵
中间继电器
小型继电器
19 20 21
52 50 49 34
67
29(过流状态K1) 35(过流指示K1) 31(主板继电器K3)
1 2
3 主控板状态显示
4
OUT
36(不平衡指示K2)
5
2.5mm
UV W
58(电流表信号+)
J4
59(电流表信号-)
4 A
B
C
R12
15K/30W R11
15K/30W R10
15K/30W R9
15K/30W
公司名称 武汉博莱科技发展有限公司
产品名称 500W旋流CO2激光器
第6 页 共6 页
D
图纸名称 限流电阻阵列原理图
文档编号 500WCO2-002
设计 张双喜 校对
审核
批准
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3
4
地
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。
二氧化碳激光器简介PPT课件
的碰撞消激发作用
Xe：增加放电气体中的电离度，使得电子平均能量降低，
高器件的输出功率，并且延长器件寿命 Ar：降低管内电子温度，有利于上能级激发，但导热率不
如He
4.2 普通CO2激光器的工作特性和输出特性
1 电子温度 E/N范围：10－16～ 10－15 Vcm2 E/N小，电子转换效率高，但放电管难以着火 E/N大，能量大多转换给电子的激发态，电子转换 效率低 2 增益 1）放电电流的影响：存在最佳值 2）管壁温度的影响：封离型增益随管壁温度上升而下降 流动型增益与管壁温度无关 3）气压 存在最佳气压值
2 轴快流CO2激光器
气流方向与激光束输出方向一致 结构：风机的选择：罗茨风机 涡轮风机 热交换器 湍流发生器 工作特性：
3 横流高功率CO2激光器 放电方向 气流方向 激光束输出方向互相垂直
4.5 横向激励高气压CO2激光器（TEA） 1 特点 工作气压高 采用横向激励方式 电极面积大 施用预电离技术
2 常用的TEA CO2激光器结构 1） 针板TEA CO2激光器
结构比较简单，易实现均匀激励，效率不高，光束质量不太好
2） 双放电TEA CO2激光器 阴阳极之间加了一个预电离电极 3）紫外光预电离TEA CO2激光器 4）电子束预电离TEA CO2激光器
co2射频激光器工作原理
co2射频激光器工作原理
CO2射频激光器是一种基于CO2分子的激光器，其工作原理涉及到激光产生、能量传输和增强。
首先，CO2分子激光器利用激活的氮气和二氧化碳混合，其中二氧化碳分子是激发CO2分子所需的能量源。
激光器中的光子通过速率系数和碰撞取得的能量，将CO2分子转化为激发态。
然后，在CO2分子激发态和基态之间形成能量差，这个能量差等于激光的频率。
为了达到激光放大和放大的目的，首先需要使激活的氮气和二氧化碳混合，并在这个混合物周围形成一个电流。
激光器中的气体混合物被加热并激活，以产生高能态电子。
接下来，通过引入高频空载泵浦系统，将高频交流电源与电极锥结构中的电极板连接，实现电流的引入和泵浦能量的传输。
电流的引入引发了CO2分子的振动，产生激发态。
然后，在激光器的传导过程中，控制反应室中的气体会加热并膨胀，从而增加气体分子之间的碰撞。
随着足够的碰撞发生，CO2分子的再吸收和辐射首先产生更多的激发态分子。
最后，通常在激光器的工作过程中，还需要通过增益介质来实现光子的放大。
通过在增益介质中的激光传播路径上加入一个增益腔，可以将激发态转化为激光辐射。
在增益腔的两端放置反射镜，形成谐振腔，将激光产生的辐射进行倍增。
这样，CO2射频激光器的工作原理就是基于CO2分子的激活和激发态之间的能量转移。
通过控制气体的激发态和传导过程，以及增益介质和反射镜的放大和倍增，实现了CO2射频激光器产生可控的激光输出。
这种激
光器具有较高的能量转化效率和辐射功率，广泛应用于材料加工、医疗美容等领域。
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。
二氧化碳激光器原理及光学镜片的损伤ppt课件
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概述
光学谐振腔则为激光振荡的建立提供正反馈 。在CO2激光器中的光学谐振器由全反射镜 和部分反射镜组成，光学谐振腔通常的作用 ：控制光束的传播方向、选择被放大的受激 辐射光频率以提高单色性、增加激活介质的 工作长度、谐振腔的参数影响输出激光束的 质量。
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4
能级
1、粒子数反转（激光产生的基本条件）
光谱能被吸收后，会导致原子由低能级向高 能级跃迁，部分跃迁到高能级的原子又会跃 迁到低能级并释放出相同频率单色光谱。
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激光的特点
激光与普通意义上的光源相比较激光主要有 四个特点：方向性好、亮度极高、单色性好 、相干性好。
激光具有输出光束质量高、连续输出功率大 (CO2 激光器)等输出特性,其器件结构简单,造 价低廉。
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7
输出特性
气体激光器 气体和金属蒸气作为工作物质。 根据气体工作物质为气体原子、气体分子或气体离子,又可将
气体激光器分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。
分子激光器中产生激光作用的是未电离的气体分子,激光跃迁 发生在气体分子不同的振-转能级之间。采用的气体主要有 CO2、CO、N2、O2、N2O、H2O、H2 等分子气体。分子激光 器的典型代表是CO2 激光器。
损伤阈值：损伤阈值取决于材料及其洁净度 。当能量密度较高时，损伤的概率就应用
小功率CO2激光器主要应用于打标行业。 大功率CO2激光器:激光器是当今世界激光切
割、焊接、表面处理等的主力光源，激光加 工技术作为一种先进制造技术，解决了许多 常规方法无法解决的难题，与传统的加工技 术相比，激光加工有着许多独特的优点，主 要表现在以下几个方面：
第3章_二氧化碳激光器
• 根据调查统计，直流高压供电电路故障导致 无激光输出的故障占该类故障总数的60%以 上。其次检查光路仔细观察导光臂固定座的 中心轴与CO2激光管的中心轴是否重合(应重 合)；CO2激光管的固定卡环是否松脱；激光 管输出侧的平凸镜位置是否正常；输出窗是 否清洁。
• 最后检查激光管，如激光管放电正常，但 无激光输出，可能是激光管两端腔片损坏 或输出窗被遮盖；激光管有不正常的放电， 无激光输出，可能是激光管中阳极或阴极 损坏，或管中的工作气体被杂质气体所污 染；激光管无放电，也无激光输出，则可 能是阴极损坏或老化而不能发射电子，阴 极或阳极引线封结处玻璃炸裂或激光管两 端腔片粘结处漏气，空气进入激光管，从 而激光管无法放电。
由于C0 分子00 能级与 分子v=1能级十分接近 能量转移十分迅速。此外 2分子的 能级与N 能级十分接近,能量转移十分迅速 由于 2分子 01能级与 2分子 能级十分接近 能量转移十分迅速。此外,N v=2~4能级与 2分子 02~0004也十分接近 相互间也能发生共振转移 处于 能级与C0 分子00 也十分接近,相互间也能发生共振转移 能级与 也十分接近 相互间也能发生共振转移,处于 0002~0004的C02分子与基态 2分子碰撞可将它激励至 01能级。 分子与基态C0 分子碰撞可将它激励至00 能级 能级。 的 在以上三种激发途径中,共振转移的几率最大 在以上三种激发途径中 共振转移的几率最大, 共振转移的几率最大 作用也最为显著。 作用也最为显著。 C02分子激光跃迁下能级的抽空主要依靠气 体分子间的碰撞。 体分子间的碰撞。 一旦实现了(0001)与 (1000)、 (0200) 一旦实现了 与 、 之间的粒子数反转，即可通过受激辐射， 之间的粒子数反转，即可通过受激辐射，产 跃迁产生10.6um波长的激 生: 0001→1000跃迁产生 → 跃迁产生 波长的激 光光00 → 跃迁产生9.6um波长的激 光光 01→0200跃迁产生 跃迁产生 波长的激 光。 由于以上跃迁具有同一上能级,而且 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 2激光 跃迁的几率大得多,所以 → 跃迁的几率大得多 所以C0 激光。 器通常只输出10.6µm激光。若要得到 器通常只输出 激光 9.6um的激光振荡 则必须在谐振腔中放置波 的激光振荡,则必须在谐振腔中放置波 的激光振荡 激光振荡。 长选择元件抑制10.6um激光振荡。 长选择元件抑制 激光振荡
He-Ne激光器和CO2激光器工作方式简述
He-Ne激光器和CO2激光器工作方式简述He-Ne激光器✓特性简述He-Ne激光器在可见波段有输出，输出功率一般仅为几个毫瓦或数十个毫瓦，线宽基本是多普勒加宽，线宽很窄，约1.5GHz，为三能级系统。
当调节He-Ne激光器波长时，He-Ne 激光器能够产生偏振方向相互正交的两个纵模。
✓工作方式氦氖激光器的激光放电管内的气体在拥有一定高的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。
在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。
这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。
因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给，原子不断地发生碰撞。
这就产生了激光必须具备的基本条件。
在发生受激辐射时，分别发出波长3.39μm，632.8nm，1.53μm三种激光。
Fig 1. He-Ne激光器结构图CO2激光器✓特性简述CO2激光器输出为10.6μm的远红外激光，输出功率很大，转换效率较高，可连续工作或脉冲工作，放电管比He-Ne激光器粗。
✓工作方式在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(一般比例为CO2：N2 ：He = 1：0. 5：2. 5，总气压为1066. 58Pa)。
CO2激光器是将上述混合气体放在光振荡器中，利用CO2 分子的振动和转动能级间的跃迁来产生激光的,激光波长为10. 6um。
利用气体放电泵浦方法向CO2 气体分子注入能量,使放电管中CO2 分子达到反转分布状态：将直流电压的两输出端分别接到放电管的两电极上，当不加电压或电压很低时，两电极间的气体完全绝缘，内阻为无穷大，没有电流流过；随着电压的升高，气体中开始有带电粒子移动，气体的内阻开始减小，当电压达到某一电压峰值时，内阻急剧减小，电流迅速增加、气体被击穿、这叫做点火电压。
二氧化碳激光器
必须选择平均电子能远远超过0001能级 的激励阈值，以免0110能级直接泵浦；
大部分电子用来激励N2的第一激发态； 平均电子伏必须限制在3eV下，避免CO2 过度离解
Company Logo 图( 与产生激光有关的CO2分子能级图
（2）共振转换激励 1） N2(ν=1)+CO2(0000) →N2(ν=0)+CO2(0001)-18cm-1 2） CO (ν=1)+CO2(0000) →CO2(0001)+CO(ν=0)-206cm-1
共振转换 1）方程碰撞速率相当大； 2）大大增加了CO2（0001）能级的寿命。
指出：He是一种常用的气体，对 激光上能级的激励去激励都不起重 要作用。
图（3）CO2分子振动模型
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2、弛豫过程
（1）激光上能级0001的弛豫 CO2(0001)+hν →CO2(1000，0200)+ hν+ hν
CO2激光器的原理及应用
目 录
1 二氧化碳激光器概述 2 CO2激光器的结构 3 二氧化碳激光粒子数反转机理 4 经典二氧化碳激光动力学 5 CO2激光器的应用
一、二氧化碳激光器概述
1、简介 1964年，Patel等人首先发现了用CO2气体观察到大约 10.6微米的连续波激光作用，（其中还有9.6微米）经过多年 对CO2气体激光的研究，今天它已经成为产品，广泛用于激 光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。 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）能量转换效率高。15%-40% （3）输出波长(10.6um)
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3、激光器的优化
1）若要解上述粒子密度方程组，除了速率系数和其他的参数，例如 粒子浓度n、自发辐射速率A等等，都可以通过查表或者计算得出。 其中电子密度还得通过电子温度和气体温度算出。由此可以进一步解 微分方程。进而通过遗传算法优化。
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。
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7.1 高功率CO2激光器共性技术
CO2气体激光机原理
数字控制原理框图
如图所示。为便于工作人员操作方便， 采用由上层计算机发送频率及脉宽控制 指令，然后在PWM 控制器中通过单片机 处理上层计算机发送的控制指令
第14页，共17页。
若采用单片机实现其功能，根据系统设计的要求，
单片机既需调用串口中断，也需调用内部定时器中 断，这样便造成输出的脉冲不稳定， 加之PWM 控 制的脉冲频率为5KHz, 10KHz, 15KHz, 20KHz.若脉 冲频率为2 0KHz，则要求单片机在50μS 内完成占空
第4页，共17页。
二氧化碳分子激光跃迁能级图
第5页，共17页。
二氧化碳激光器的激发条件
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 和二氧化碳分子发生碰撞，N2分子把自 己的能量传递给二氧化碳分子，二氧化 碳分子从低能级跃迁到高能级上形成粒 子数反转发出激光。
第8页，共的谐振腔常用平凹腔，反射镜用K8 光学玻璃或光学石英，经加工成大曲率半径的凹 面镜，镜面上镀有高反射率的金属膜——镀金膜 ，在波长10.6μm处的反射率达98.8％，且化学性质 稳定。另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜 二氧化碳发出的光为红外光。所以反射镜需要应 用透红外光的材料，因为普通光学玻璃对红外光 不透。就要求在全反射镜的中心开一小孔。再密 封上一块能透过10.6μm激光的红外材料，以封闭 气体。这就使谐振腔内激光的一部分从这一小孔输 出腔外，形成一束激光。
全数字电路方式是指在整个信号处理过程中，信 号均以“0” 或“1” 的不同组合形式出现，信码只 有逻辑低与逻辑高两种变化状态，其抗干扰能力 强。同时随着微电子工艺的发展， 大规模现场 可编程逻辑器件的容量也越来越大，可编程器件 处理数字信号的能力得到不断提高。正因为抗干 扰能力强，信号处理方便，数字电路越来越受到 人们的青睐。通过全数字方式产生频率及占空比 可调的PWM 信号，正是从提高可靠性及灵活性 的角度出发，改变原电路产生PWM 信号的不足 之处。
第二章-横流CO2气体激光器-激光技术-光电技术导论
功率放大(30KW)
去离子 冷却水
射频电源结构原理图
光学谐振腔由两片前后镜子和两个平行的射频电极组成。 采用柱面镜构成的非稳定谐振腔，由于光学非稳腔能容 易地适应激励的激光增益介质的几何形状。
谐振腔及外光路整形
功率传感器 吸收体
光闸镜
扩散冷却板条CO2激光器的谐振腔镜采用热传导材料，激光光束的输出 采用热稳定金刚石材料，谐振腔镜和输出窗口由水冷却，保证在产生 高功率密度激光光束时高的热稳定性。
气流风道设计与激光器的振荡模体积的设计和 风机的性能有关.光轴位置与气流速度有关，
气温速度越大，光轴越偏向下游。
梯形放电区截面
2.气体循环系统
横流CO2激光器气体流过放电区的距离 较短，对风速要求约50～80m/s。横流风机
噪声低，能在工频条件下工作，效率高，
目前多数采用这类风机。
放电区的气流入口和出口处均装有导流
CO2激光器既能连续工作，也能脉冲工作。输出功率、能 量大，效率高，能量转换效率可达到15%~25%。 它的商品器件连续输出功率可达万瓦量级。工业上已广泛 用来打孔，切割，焊接和热处理，在工业应用上是一种比较 理想的激光器。 按结构分类：根据气体流动方向、放电方向和光轴方向 的相互位置不同，可分为： 横向流动 CO2激光器 轴向流动 CO2激光器 扩散冷却板条CO2激光
激光技术及工程
唐霞辉
华中科技大学 激光加工国家工程研究中心
第二章 CO2气体激光器
CO2激光器是最常用的分子气体激光器，也 是气体激光器中工业应用最重要的激光器。 CO2 激光器以CO2 、N2和He的混合气体为工作物质。 激光跃迁发生在CO2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，He则有助于激光下能级的抽空。发射 出10.6μm和9.6μm波长的不可见激光。
二氧化碳激光电源
1．输入电压：AC 220V，AC110V(订货时应特别说明)。
2．输出激光起辉电压： DC40KV(130W)，DC35KV(W)DC30(KV)DC 26KV(40W)。
3．输出最大电流 :DC38mA(130W)，DC 30mA(80W)DC 24mA(60W)DC 20mA(40W)。
mykz40wmyjg40wmyjg60wmyjg80wmyjg130w系列高频二氧化碳激光电源是我公司和权威二氧化碳激光器制造企业共同研制成功的高效高频高速二氧化碳激光器配套电源体积小重量轻操作方便和激光器有良好的匹配性能可直接和激光器相连省去了笨重发热严重的镇流电阻
产品名称：
MYKZ40W MYJG40WMYJG60WMYJG80WMYJG130W系列二氧化碳激光电源
4．响应速度：≤1mS。
5．TTL电平开关控制：有效电平可高、低选择。
6．保护开关：可用于水路的有无检测，保护激光器；或打开外壳时的保护等。
7．激光器功率调节：(1)由电位器调节激光电源的输出电流。(2)由PWM（幅值为TTL电平）控制。
8．电源本身可带有反馈接口，可以用于闭环控制，用于检验激光器的实际工作电流。
悬空
0-5V
0
高（>3V）
0-5V
Pmin - Pmax
保护接口端开
0-5V
0
电源和激光器的接线图:
端子定义如下：
H L WP G IN 5V
注：能量控制信号可有两种方式：
A：（射频激光）脉冲发生器：激光强度由20kHz~50kHz，5V变占空比。
B：0-5V模拟信号。
电源和激光器的接线图:
端子定义如下：
主要特点：
MYKZ40W MYJG40WMYJG60W MYJG80W MYJG130W系列高频二氧化碳激光电源是我公司和权威二氧化碳激光器制造企业共同研制成功的高效、高频、高速二氧化碳激光器配套电源，体积小、重量轻、操作方便，和激光器有良好的匹配性能，可直接和激光器相连，省去了笨重、发热严重的镇流电阻。本电源可使二氧化碳激光器启辉容易、使二氧化碳激光器的性能得到充分发挥，转换效率提高，延长激光器的寿命。