第3章 二氧化碳激光器.ppt

第3章二氧化碳激光器 王春雨材料学院A202室0631 5687125E mail wcyadam WANGChunyu 哈尔滨工业大学 威海 材料科学与工程学院 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 5 2 2二氧化碳激光器 一 CO2激光器的结构 图 5 12 封离式CO2激光器结构示意图 图 5 12 是一种典型的结构示意图 构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上 最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端 二 CO2激光器的激发过程 CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图 5 13 所示 图 5 13 与产生激光有关的CO2分子能级图 C02激光器中 通过以下三个过程将C02分子激发到0001能级 1 直接电子碰撞电子与基态 0000 C02分子碰撞使其激发到激光上能级 这一过程可表示为C02 0000 e C02 0001 e 2 级联跃迁电子与基态CO2分子碰撞使其跃迁到000n能级 基态C02分子与高能级C02分子碰撞后跃迁到激光上能级 此过程可表示为C02 0000 C02 000n C02 0001 C02 000n 1 3 共振转移由于N2分子 v 0 能级和电子碰撞后跃迁到v 1的振动能级 这是一个寿命较长的亚稳态能级 因而可积累较多的N2分子 基态CO2分子与亚稳态N2分子发生非弹性碰撞并跃迁到激光上能级 这一过程可表示为C02 0000 N2 v 1 C02 0001 N2 v 0 由于C02分子0001能级与N2分子v 1能级十分接近 能量转移十分迅速 此外 N2分子的v 2 4能级与C02分子0002 0004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C02分子碰撞可将它激励至0001能级 图 5 13 与产生激光有关的CO2分子能级图 在以上三种激发途径中 共振转移的几率最大 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 一旦实现了 0001 与 1000 0200 之间的粒子数反转 即可通过受激辐射 产生 0001 1000跃迁产生10 6um波长的激光光0001 0200跃迁产生9 6um波长的激光 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 6 m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 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 实验指出 随着管径增大 最佳放电电流也增大 例如 管径为20 30mm时 最佳放电电流为30 50mA管径为50 90mm时 最佳放电电流为120 150mA 1 放电特性 CO2激光器的转换效率是很高的 但最高也不会超过40 这就是说 将有60 以上的能量转换为气体的热能 使温度升高 而气体温度的升高 将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发 这都会使粒子的反转数减少 并且 气体温度的升高 将使谱线展宽 导致增益系数下降 特别是 气体温度的升高 还将引起CO2分子的分解 降低放电管内的CO2分子浓度 2 温度效应 CO2激光器效率高 不造成工作介质损害 发射出10 6 m波长的不可见激光 是一种比较理想的激光器 按气体的工作形式可分封闭式及循环式 按激励方式分电激励 化学激励 热激励 光激励与核激励等 在医疗中使用的CO2激光器几乎百分之百是电激励 CO2分子激光跃迁能级图 CO2激光器是气体分子激光器 工作物质是CO2气体 辅助气体有氮气 氦气 氙气和氢气等 由于这种激光器能量转换效率高达25 故常做成高功率输出的激光器 CO2激光器的波长为10 6 m 是不可见的红外光 与生物组织作用时 几乎全被生物组织200 m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 任何分子都有三种不同的运动形式 一是分子里的电子运动 决定着电子能态 二是分子里的原子振动 即原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动 这种运动决定了分子的振动能态 三是分子的转动 决定着分子的转动能态 CO2激光器的工作原理 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 因而能级也很复杂 CO2激关器就是利用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 6 m 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 当达到某一电压值时 内阻急剧减小 电流迅速增加 气体被击穿 放电开始 这一电压值叫做着火电压 放电管中的气体被击穿放电后 电流增长 气体中载流子增加 激光放电管的内阻下降 又进一步引起电流的增加 这一过程反复进行 放电管呈现负阻效应 为了使放电能够稳定地工作在放电管电流 电压特性曲线的某一点上 在放电管的供电电路中采取了限流措施 放电管放电时 在混合气体中 N2分子与电子碰撞 获得的电子能量而被激发 而在N2分子与CO2分子碰撞时又把它从电子获得的能量转移给CO2分子 使CO2分子被激发 有利于激光的产生 管中的He气有冷却作用 可以阻止CO2气体温度上升 同时还可以使激光下能级减少 提高激光器的效率 CO2激光器结构图 CO2激光器是光 机 电一体化结构 其中哪一方面出现异常都会影响其余方面 所以故障现象往往是错综复杂的综合故障的反应 从以下三个方面对CO2激光器的故障进行研讨 无激光输出这是CO2激光器在使用中出现频率最高的故障 应从三个方面进行故障分析和检查 首先检查高压供电电路 因该机的直流高压电源高达到24kV 利用面板上的开关旋钮 指示灯及相应的电压表对故障进行分析判断 在断电的情况下测量高压供电电路是否有断路 确认高压变压器本身是否正常 对负责调整输出电压的可控硅及其触发电路进行测量 检查 在通电情况下用量程大于30kV的高压表测量直流高压电路输出的电压数值 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 激光输出弱 强度大大低于正常值 此类故障的原因甚至比无激光输出故障更难分析和检查 仍需从直流高供电电路 激光光路 激光管本身三个方面进行 而且在整个过程中更强调指标的定量 检查电源电压的数值是否正常 旋动激光功率微调旋钮 看毫安表的数值能否灵敏地连续变化 在激光功率选择开关处于不同位置时分别进行 激光管的检查包括外观结构观察 光路各环节的正确位置 计算激光管的累计工作时间 激光管老化后效率下降 输出变小 保护电路故障一般有四种保护电路 哪一种发生故障 激光器都停止工作 过流保护电路 防止激光管因电路故障引起辉光放电电流过大而使电极损坏或电极线密封处炸裂 一旦炸裂 后果严重 工程技术人员对该保护电路应采取定期的预防性维修 被动性维修 即发生故障后才去维修 的方式不可取 断水保护电路 CO2激光器工作时会产生大量热量 循环冷却水必须对激光管降温 水路不通时 激光管的直流高压被切断 加压泵工作不正常和水位开关接触不良是此类故障的主要原因 断水保护电路的检查是经常性的工作 不容忽视 安全保护电路 主要由机柜上的门开关组成 为的是保证操作者和患者的安全 因机内有高达24kV的高压 故障原因大多是门开关处接触不良或门装的位置不正 电源锁开关的保护 为防止非操作和维修人员对机器通电 故障往往由锁开关本身损坏引起 断电情况不用万用表测量即可判断其通 断是否正常 CO2气体激光器是在 He 80 N2 15 CO2 5 的混合气体中进行放电 利用电子的碰撞激发工作物质 从而形成粒子数反转的分子激光器 按照气体冷却方法的不同可将高功率CO2激光器分成扩散冷却和流动冷却两大类 流动冷却又分为轴向流动 横向流动及螺旋流动等多种 图2 1准封离CO2激光器结构示意图 较高功率的准封离型激光器都附带一个真空排气 充气系统 用来定期抽掉腔内的变质气体 充以新鲜气体而重新使用 图2 2为工业用的准封离型CO2激光器 此种类型的CO2激光器的工作气体不流动 直流自持放电产生的热量 靠玻璃管或石英管壁传导散热 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 图2 2准封离型CO2激光器示意图 横向流动型CO2激光器横流激光器是指工作气体沿着与光轴垂直的方向快速流过放电区以维持腔内较低气体温度的一种高功率激光器 图2 3为横流激光器的结构示意图 它通常由密封箱体 钢壳 谐振腔 输出镜 拆叠镜 全反镜 风机 热交换器和放电电极 阳极 阴极 等部分组成 图2 3横流CO2激光器 此种类型的激光器 单位有效谐振腔长度的输出激光功率达每米10kW 商用器件的最大功率可达25kW 这种激光器的缺点是 光束质量较差 在好的情况下可以得到低阶模输出 否则为多模输出 横流激光器广泛应用于材料的表面改性加工领域 2 2 1 3快速轴流型CO2激光器 轴向流动型激光器指的是激光工作气体沿放电管轴向流动实现冷却 气流方向同电场方向和激光方向一致 轴流型激光器包括慢速轴流 气流速度在50m s左右 和快速轴流 气流速度大于100m s 甚至可达亚音速 慢轴流是早期产品 由于其结构复杂 输出功率低 未继续发展 图2 4为快轴流激光器的典型结构 主要由细放电管 谐振腔 后球面镜 输出窗 高压直流放电系统 高速风机 罗茨泵 热交换器及气流管道等部分构成 图2 4快轴流CO2激光器 快轴流激光器的特点是 光束质量好 功率密度高 电光效率可达26 结构紧凑 可以连续和脉冲双制运行 使用范围广 国内已研制成功500 1500W快速轴流CO2激光器 并已形成产品 主要用于轧辊激光刻花 钢板高速切