CO2激光器的发展

CO2激光器的优点 激光器的优点
CO2激光具有波段优势，工作波长10.6um恰好处于大气长 波红外窗口范围，受环境因素的影响较小，可以全天候工 作； 在能见度低的恶劣战场条件（烟尘、烟雾、雨天、人工烟 雾等）下，其透明度大大高于1.06um固体Nd+3:YAG激光器； 在战场条件下，传输10km时，10.6um激光传输衰减比 1.06um激光低20dB； CO2激光可对散射截面小的弱目标尤其是红外隐身目标进 行有效探测，具有极高的灵敏度； 与8~14um的热成像系统具有很好的兼容性，容易实现主、 被动复合制导； CO2激光波长处在人眼安全波长限之上，在中小功率照射 下，不会伤损人的视网膜。
OБайду номын сангаасtput power 1 - 6 kW
DC 060 W
激光头组成 I
电气单元
激光 输出
谐振腔
气瓶
ROFIN DC Series
激光头组成 II
激光输出
射频电源
真空泵
射频CO2激光器原理
1. Laserbeam激光束 激光束 2. Beam shaping unit 光束整形单元 3. Output mirror输出镜 输出镜 4. Cooling water冷却水 冷却水 5. RF excitation射频激 射频激 励 6. Cooling water冷却水 冷却水 7. Rear mirror后反射镜 后反射镜 8. RF excited discharge射频放电区 射频放电区 9. Waveguiding electrodes波导电极 波导电极
谢谢
CO2激光器的应用 激光器的应用
低功率（小于200瓦）CO2激光的应用 低功率（小于 瓦 激光的应用
主要为电子工业（如电阻制造、IC标志）、非金属加工业 （竹木雕、服饰、制鞋、饰品制造等）和部份医疗和研究 单位所使用。
中高功率(200瓦-1600瓦)CO2激光的应用 瓦 中高功率 瓦 激光的应用
木刀模业，各种机器零部件切割，汽车钣金切割 ，计算机、 电气机壳的钣金切割，特殊材料切割。
由于输出功率大、技术简单、成本低等因素，第 一代工业用CO2 激光器使用直流激励，现在它仍 占据着最大的市场。随着半导体和电子技术的迅 猛发展，CO2激光器直流激励电源也随之由低频 工作方式向高频工作方式的方向发展，从简单的 串联线性调整电源到可控硅中频电源, 发展到高频 高效开关电源。直流激励高频开关电源替代低频 电源是激光工业发展的必然趋势。
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。
射频激励
射频激励是CO2 气体激光技术发展的新方向，由于 具有完全独特的优势，近20 年来得到了迅速的发 展。射频激励技术的突出优点有：射频气体放电 具有正向伏安特性，可实现持续放电，电能利用 率高；放电稳定，可实现大面积均匀放电；注入 功率密度高，器件的体积大为缩小；工作电压低， 有利于提高器件寿命，并且使用安全；射频波可 实现高频幅度调制，输出光功率的控制程度高； 能灵活地实现从连续到脉冲的转换以及脉宽和脉 冲频率的调节等。
为了改善CO2 激光器的性能，克服直流激励存在的缺点， 提出了交流高频放电CO2 激光器技术。高频放电频率通常 在几十~几百kHz，其电路可采用晶体管和高频变压器组成 逆变开关电源。 实验表明，采用高频放电激励提高了放电的稳定性，在没 有任何匹配措施，也没有加任何镇流电阻的情况下，获得 了大面积均匀稳定的辉光放电。而全晶体管化的电源减小 了体积，意味着这种放电激励技术具有提高输出功率的潜 力，从而为CO2 激光器的小型化研究提供了新的途径。
激光器基本结构
交流高频激励
直流激励激光器虽然应用广泛，但存在着以下缺点：
（1）镇流电阻要消耗1/3~1/4 的能量，光电转换效率低 （2）放电的不稳定性，限制了注入功率密度的提高； （3）电源功率因数低，不利于节能； （4）很难做到连续－脉冲运行转换，无法满足高性能激光 加工的要求； （5） 放电电压太高，给更高频率的高压电源的研制带来困 难。
高功率（大于 高功率（大于1600瓦）CO2激光的应用 瓦 激光的应用
大于1600瓦的高功率CO2激光,主要被应用在金属焊接和表 面处理上,在工业先进国家已逐渐被国防、汽车和航天工业 里一些特殊领域所采用。
四种CO2激光器的激励方式 激光器的激励方式 四种
CO2 激光器是最重要、用途最广泛的气体激光器 之一。按照激励方式CO2 气体激光器可分为直流 激励、交流高频激励、射频激励和微波激励。 从70 年代末开始，国外进行了高频（HF）、射频 （RF）、微波（MW）激励工业用CO2 激光器的 研究。高频激励或称无声放电（SD）高功率CO2 激光器，激励频率为100~200 kHz，获得了1~5 kW 的激光功率。射频激励恒流CO2 激光器已获得 1~10kW 的功率输出，最大功率有望达到100kW。 德国90 年代发展的8kW 的振荡器-放大器系统，使 用频率为2.45GHz 的微波激励。
CO2激光器的发展 激光器的发展
--主讲人：张本 时间：2010/1/15
主要内容
CO2 激光器基本原理 CO2激光器的优点 激光器的优点 CO2激光器的应用 激光器的应用 四种激励方式 结束语
CO2 激光器基本原理
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： 分子里电子的运动，其运动决定了分子的电子能 态； 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； 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，因而能级也很复杂。
关于微波放电激励
目前，射频激励CO2 激光器最大的不足是需要十分昂贵的射 频功率发生器，且运行花费高，这大大影响了它的广泛使 用。为此，人们尝试其它新的激励方式。现在，这种研究 在实验室已初步获得成功，即采用微波（MW）放电方式 激励激光器。微波激励CO2 激光器通常是将激光放电管置 于微波波导或谐振腔中，通过微波行波场或驻波场使CO2 气体产生激发而获得激光输出。微波激励频率在1GHz 以 上，其放电电极形式多为螺旋型平行电极结构，采用磁控 管微波发生器作电源，电能用波导管传输。
结束语
CO2 激光器激励电源的发展过程和总体趋势为：从直流到 交流，由低频到高频，再到射频和微波，电源频率不断提 高。相对于直流激励，交流激励激光器体积小、重量轻、 稳定性好、高效节能，且放电电压低，可以脉冲输出。以 现有的技术，射频激励具有最佳综合性能，高频激励次 之，微波激励是一种很有希望的技术，直流激励将慢慢被 淘汰。 今后，高频激励技术的发展方向是增大功率输出和减小体 积。射频激励的主要目标是降低电源价格，控制辐射污染， 大力发展扩散型冷却波导激光技术。而经过激光科研工作 者的不懈努力，相信不久的未来，性能高、价格低、安全 环保的微波激励CO2 激光器将在激光市场中占据一席之地。
直流激励
由于输出功率大、技术简单、成本低等因素，第一 代工业用CO2 激光器使用直流激励，现在它仍占 据着最大的市场。随着半导体和电子技术的迅猛 发展，CO2激光器直流激励电源也随之由低频工 作方式向高频工作方式的方向发展，从简单的串 联线性调整电源到可控硅中频电源, 发展到高频高 效开关电源。
HUST-5000 型横流CO2激光器