第三章--轴快流二氧化碳激光器(1++h)

2013-9-11
激光器件原理与设计
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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。
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第七章
控制系统
轴快流CO2激光器
触摸屏控制面板 RS485总线 PLC控制系统 执行单元(接触器、空开、继电器等）

数控接口
变频器 真空泵 抽气用 混气单元 充排气用 涡轮风机 气体循环 高压电源 激光激励源 功率计 功率检测 光闸 防护
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轴快流CO2激光器
（1）激光束由连续输出状态发展到闸栅脉冲（Gated Pulse）和 尖脉冲（Spike Pulse）。但平均功率太低，在激光切割、焊接等材 料加工中没有优越性，只是在激光打孔中有些用处。 (2)增强脉冲（Enhanced Superpulse），在每一个脉冲的开始部分 有一能量很高尖脉冲，脉宽约10μs至150μs，同时平均功率较高。




第七章
轴快流CO2激光器
7.2.3 核心技术之三：激光谐振腔
尾镜 窗口
单折腔 U形多折腔
矩形多折腔
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轴快流CO2激光器的光腔结构特点： （1）玻璃管限制放电区域，放电效率高 （2）玻璃管长而且细，光腔菲涅尔N较小。光束 质量好。 N=a2/λL
a--窗口半径 L-腔长
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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
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（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。
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第七章
轴快流CO2激光器
5.设计最佳放电E/N值提高激光效率 选用合理气体混合比、增加预电离、外界电离源 使E/N值达到最佳值，以提高电光转换效率。 E/N值物理意义是电子在碰撞中获得的能量。
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第七章
轴快流CO2激光器
第七章 轴快流CO2激光器 国外主要轴快流激光器样本
Trumpf （德） TLF系列大功率轴快流激光器 最大功率：15000W K=0.24
第七章 轴快流CO2激光器 国外主要轴快流激光器样本
PRC （美） STS 系列大功率轴快流CO2激光器 直流激励 最大功率：5000 W M2<2.5
第七章 轴快流CO2激光器 国外主要轴快流激光器样本
国内轴快流CO2激光器实力最雄厚生产商
7.3 、国内外高功率CO2激光器发展现状 1.国外 德 国 Trumpf 公 司 、 Rofin-Sinar 公 司 ， 美 国 PRC 公 司 、 Prima North America公司等世界著名激光企业，牢牢占据着激光这一先进制造技术的 制高点,推动钢铁、汽车、电子等主要制造业，基本完成了传统加工工艺技 术的更新换代，进入“光加工”时代。与此同时，形成了成熟的激光产业链 ，推动了全球激光产业的高速发展。 国外目前金属材料激光切割机大量采用2000W---4000W轴快流CO2激光 器其原因是运行成本低，加工种类多，切割速度快。
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轴快流CO2激光器
（4）射频放电电极
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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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（2）直流电极 阴极采用镍片，圆筒形（也有采用小孔形、环 形阴极）
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阳极采用紫铜，内径与放电管内径相同，外径大于放电管 外径 。气流是从阳极与放电管的陶瓷套之间的狭缝流 进放管的。
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轴快流CO2激光器的激光输出
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轴快流CO2激光器
轴快流激光器光学谐振腔结构图
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（1）光桥
轴快流CO2激光器
作用：用来支撑激光谐振腔，使激光谐振 腔不受温度、真空压力、机械震动等因素 的影响，ห้องสมุดไป่ตู้证激光谐振腔的稳定，以保证 激光功率和激光模式的稳定。
常用材料：不锈钢，殷钢，碳素纤维
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轴快流CO2激光器
罗茨风机
罗茨：风速高，冷却效果好；高 可靠性；对激光腔有轻度污染； 低噪声，低振动；维护周期长； 流量较小
涡轮：风速高，压比大，冷却效果好； 高可靠性；对激光腔没有污染； 低噪声，低振动；免维护；能耗低； 体积小，与激光器的集成度高；
涡轮风机
7.3.2 电==气体放电+电源 （1）放电管的内径约20mm，长度约300mm。采用硬 质（GG－17）或石英玻璃管。管径大小与光束质量有 关，内径17mm时，可获得基模TEM00激光输出，内径 20mm时，TEM00＋TEM01模激光输出。
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增加。
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1 2Gl ATI S 1 2 T
4. 提高工作气体压力以提高激光功率：放电不均匀性和不稳定性
P W
提高激光功率可采用增加增益系数G、饱和参量IS、放电长度l和减 小损耗α等方法。 高气压下，G∝p-1，IS∝p2。提高气体压力虽然G下降，但IS 增幅大，结果PW随p增大。 高功率CO2激光器气压在5.3×103～1.3×104Pa范围。 若高于 1.3×104Pa，只有在脉冲放电才能实现。
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轴快流CO2激光器
怎样实现高流速？？ 我国大飞机核心技术 为使气体在轴向高速流动要求有一个流量较大、 压差也较大的激光风机使气体高速循环使用。能 满足上述流量的压差要求的风机有两种：罗茨风 机（roots-blower）和涡轮风机（turboblower），气流速度达300～600m/s。
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轴快流激光器光学谐振腔结构图
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（2）输出窗口和尾镜
输出窗口及尾镜结构图
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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。
6.提高光束质量 高功率激光器中，CO2激光器光束质量最好（工作物质密 度均匀）；光束质量越好，聚焦后光斑尺寸越小。 发散角θ=λ/D0 D0：光束腰斑。
第七章
轴快流CO2激光器
7.红外光学镜片 高功率状态下，激光输出窗口晶体和全反射镜的 热畸变是功率提高和光束质量改善关键问题。 提高全反射镜反射率，减少膜层吸收，基材选用 和冷却，抛光，超精车等工艺也很重要。
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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
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轴快流CO2激光器的电励
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连 续 放 电
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低 频 率 脉 冲 放 电
第七章
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（3）开关电源---直流激励源 气体击穿电压(15-20kV)； 负阻抗特性要匹配； 激励电源的电流1—100mA 调制频率0—2kHz 电源效率高、体积小和响应速度快。
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激光器件原理与设计
第七章
关系曲线。
轴快流CO2激光器
下图给出了不同工作气体配比、气压下效率η与注入电功率Pin的
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激光模式
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激光功率4100W下的烧斑
TEM00+01模
第七章
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轴快流CO2激光器
工作特性：增强脉冲输出
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第七章
轴快流CO2激光器
7.2 轴快流激光器结构和工作原理 组成：放电管、电极、谐振腔、电源、快速流 动气体循环系统（风机和热交换器等组成）。
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第七章
轴快流CO2激光器
7.2.1 核心技术之一：风----气体流动
轴快流CO2激光器的气体流动
Fanuc（日） C 系列大功率轴快流CO2激光器 最大功率：6000 W
第七章
2.国内
轴快流CO2激光器
武汉科威晶：LANCE系列大功率轴快流CO2激光器。直流激励。最 大功率：4000 W
第七章
轴快流CO2激光器
东京东方（中国南京） NEL系列大功率轴快流CO2激光器 直流激励 最大功率：2000 W
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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