高功率轴快流CO激光器原理结构

高功率轴快流CO激光器原理结构轴快流CO2激光器基本原理第2页,共98页，2024年2月25日，星期天光的受激辐射第3页,共98页，2024年2月25日，星期天CO2激光器的受激辐射第4页,共98页，2024年2月25日，星期天激光工作物质全反射镜半反射镜激光工作原理：out光放大原理第5页,共98页，2024年2月25日，星期天激光的特性单色性相干性方向性第6页,共98页，2024年2月25日，星期天激光模式TEM00Mode<1000WattsDMode1000-4000WattsQMode>4000Watts第7页,共98页，2024年2月25日，星期天光束质量参数第8页,共98页，2024年2月25日，星期天轴快流CO2激光器的诞生轴快流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。轴快流CO2激光器第9页,共98页，2024年2月25日，星期天直流激励轴快流CO2激光器第10页,共98页，2024年2月25日，星期天射频激励轴快流CO2激光器1激光谐振腔2谐振腔镜片3放电电极4涡轮风机5真空泵6电磁阀7风机出气口换热器8风机进气口换热器第11页,共98页，2024年2月25日，星期天轴快流激光仍将是工业加工中的主流激光器薄板+3D切割：光纤激光器占优厚板+非金属/金属+切割+价格：CO2激光器具有明显优势来自德国“Fraunhofer研究所”研究结果第12页,共98页，2024年2月25日，星期天Trumpf最新10kW激光器第13页,共98页，2024年2月25日，星期天HUST&OVLConvergent研究成果第14页,共98页，2024年2月25日，星期天激光切割的市场需求德国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的15kW-CO2激光三维激光切割机德国Trumpf12kW-CO2激光切割、焊接和表面处理复合加工机第15页,共98页，2024年2月25日，星期天重大行业应用现代船舶制造中已开始大量使用的轻型“三明治”多层空心结构厚钢板的切割加工，更是对万瓦轴快流激光切割装备提出了迫切需求。德国Trumpf公司的12kW--20kW轴快流CO2激光器已用于世界上许多大型船厂的生产线上，可大大提高船舶的有效载荷，并大幅度减低制造成本。日本的Kawasaki重工等造船企业已经安装了高功率激光平板切割系统。德国的Meyer

Werft也安装了四台12KW的CO2激光器，用来焊接不同长度的船体加强杆第16页,共98页，2024年2月25日，星期天Trumpf轴快流CO2激光器概述第17页,共98页，2024年2月25日，星期天激光器构成冷水机激光发生器操作面板控制系统射频电源第18页,共98页，2024年2月25日，星期天激光发生器构成涡轮风机热交换器激光谐振腔激光器支撑功率计光闸第19页,共98页，2024年2月25日，星期天激光谐振腔构成转折镜窗口与尾镜放电管第20页,共98页，2024年2月25日，星期天基本工作原理第21页,共98页，2024年2月25日，星期天TrumpfCO2激光器谐振腔第22页,共98页，2024年2月25日，星期天轴快流CO2激光器常用激光谐振腔尾镜窗口单折腔U形多折腔矩形多折腔第23页,共98页，2024年2月25日，星期天谐振腔结构US：转折镜RS：尾镜AS：窗口第24页,共98页，2024年2月25日，星期天Trumpf12000谐振腔结构1、角镜体2、光桥3、回气座4、输出镜座光桥要求：1、温度稳定性好2、抗形变性能好3、防振性能好第25页,共98页，2024年2月25日，星期天1、窗口2、尾镜3、转折镜4、转折镜安装组件第26页,共98页，2024年2月25日，星期天谐振腔镜片镜子类型材料直径反射率曲率半径转折镜铜（镀膜）60mm≥99.7%p-偏振方向≥99.9%s-偏振方向平面输出镜ZnSe（镀膜）1.65’’40%外面：30mcx里面：30mcc尾镜GaAs（镀膜）1.65’’99.7%外面：平面里面：30mcc第27页,共98页，2024年2月25日，星期天1、调节垂直方向2、调节水平方向第28页,共98页，2024年2月25日，星期天模式检测工具1、热敏板2、紫外灯第29页,共98页，2024年2月25日，星期天检测示意图1、热敏板2、紫外灯3、激光束（尾镜）第30页,共98页，2024年2月25日，星期天未调整好的模式分布调整好的模式分布第31页,共98页，2024年2月25日，星期天激光烧斑图样第32页,共98页，2024年2月25日，星期天扩束镜采用扩束镜延长激光加工的可用光程，在飞行光路激光加工中广泛应用。1、凹面镜2、凸面镜a、进入的光束直径b、离开的光束直径第33页,共98页，2024年2月25日，星期天光闸第34页,共98页，2024年2月25日，星期天TrumpfCO2放电结构第35页,共98页，2024年2月25日，星期天直流放电结构36第36页,共98页，2024年2月25日，星期天直流放电特点电极位于放电管内，放电方向与光束方向一致；可以有多种电极结构；起辉电压高，一般要使用触发电极；易产生放电不稳定性，要求在阳极形成湍流；不易调制：工频直流电源，调制频率一般最大为2kHz，开关电源，调制频率一般最大为5kHz；电源简单，无辐射污染。37第37页,共98页，2024年2月25日，星期天放电结构1、玻璃管2、放电区3、放电电极第38页,共98页，2024年2月25日，星期天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。39第39页,共98页，2024年2月25日，星期天高功率连续放电（85mA）放电管4.2放电管4.3放电管4.1第40页,共98页，2024年2月25日，星期天射频放电41第41页,共98页，2024年2月25日，星期天多根放电管串联第42页,共98页，2024年2月25日，星期天两种放电结构第43页,共98页，2024年2月25日，星期天阻抗匹配射频电源13.56MHz50欧姆第44页,共98页，2024年2月25日，星期天阻抗匹配器第45页,共98页，2024年2月25日，星期天阻抗匹配布置为每台电源配置一个阻抗匹配器第46页,共98页，2024年2月25日，星期天阻抗匹配布置1、左匹配器2、右匹配器AS：窗口第47页,共98页，2024年2月25日，星期天反射功率变化曲线第48页,共98页，2024年2月25日，星期天匹配网络对反射功率的影响a、正常的匹配曲线b、增长串联线圈c、减小串联线圈第49页,共98页，2024年2月25日，星期天放电建立时间第50页,共98页，2024年2月25日，星期天匹配失调的原因1、工作气压2、气体比例变化3、气体纯度4、气体温度(冷却系统故障)5、射频功率幅值6、射频连接7、射频电缆或电极物理位置8、参数MD48错误9、反射功率计故障第51页,共98页，2024年2月25日，星期天TrumpfCO2气体循环冷却第52页,共98页，2024年2月25日，星期天免维护磁悬浮涡轮风机罗茨风机涡轮风机磁悬浮涡轮风机第53页,共98页，2024年2月25日，星期天气体循环原理图第54页,共98页，2024年2月25日，星期天风机罩1、涡轮风机2、叶轮3、风机罩4、热交换器5、翅片管6、冷却水入口7、气体入口8、气体出口第55页,共98页，2024年2月25日，星期天涡轮风机热交换器第56页,共98页，2024年2月25日，星期天1、叶轮2、外壳3、扩散器A、气体入口B、气体出口第57页,共98页，2024年2月25日，星期天1、扩散器2、叶轮第58页,共98页，2024年2月25日，星期天风机结构1、叶轮2、上保护轴承3、转子（永磁）4、定子5、下保护轴承6、驱动轴7、磁板第59页,共98页，2024年2月25日，星期天定子1、水冷2、开口3、线圈4、电机电缆5、电机温度电缆第60页,共98页，2024年2月25日，星期天1、正弦波滤波器2、变频器3、混合滤波器4、操作面板KP100第61页,共98页，2024年2月25日，星期天风机控制原理1、滤波器2、整流器3、变频器4、中间电路5、制动斩波器6、磁轴承控制器7、逆变器8、正弦波滤波器9、涡轮风机第62页,共98页，2024年2月25日，星期天磁轴承控制器第63页,共98页，2024年2月25日，星期天1、径向传感器，上2、径向磁轴承，上3、控制器MBE-504、轴向磁轴承5、保护轴承，上6、轴向传感器7、驱动轴8、转子9、定子10、保护轴承，下11、径向磁轴承，下12、速度传感器13、径向传感器，下第64页,共98页，2024年2月25日，星期天1、供电电源2、控制电源3、控制器4、磁轴承驱动5、传感器信号处理6、数字接口7、LCD显示A、到磁轴承的信号B、磁轴承返回信号第65页,共98页，2024年2月25日，星期天风机启停曲线第66页,共98页，2024年2月25日，星期天气体混和器气体混和气将三种工作气体按照特定的比例混合后冲入到激光器真空腔内。第67页,共98页，2024年2月25日，星期天气体混合器原理图第68页,共98页，2024年2月25日，星期天激光器工作过程中的气压曲线1、抽气2、自动净化3、充气4、Beamoff5、Beamon6、Beamoff7、关机第69页,共98页，2024年2月25日，星期天气压控制原理第70页,共98页，2024年2月25日，星期天TrumpfCO2激光器功率检测第71页,共98页，2024年2月25日，星期天功率检测方法－输出激光采样第72页,共98页，2024年2月25日，星期天功率检测方法－尾镜取样检测第73页,共98页，2024年2月25日，星期天Trumpf激光器功率采集1、尾镜2、功率传感器3、冷却水4、模拟量采集第74页,共98页，2024年2月25日，星期天TrumpfCO2激光器控制系统第75页,共98页，2024年2月25日，星期天控制系统结构图第76页,共98页，2024年2月25日，星期天Profibus连接原理图第77页,共98页，2024年2月25日，星期天1、Profibus通信电缆2、以太网线A、TASC3控制系统B、BUSCHIO模块C、射频电源控制模块第78页,共98页，2024年2月25日，星期天TASC3控制系统1、软驱2、电源3、射频电源控制模块4、多功能板5、扩展插槽6、CP600S嵌入式系统7、Profibus从模块8、Profibus主模块第79页,共98页，2024年2月25日，星期天主控制器CP600-S处理器奔腾133M存储32MRam8Mflash操作系统VxWorks维护免维护第80页,共98页，2024年2月25日，星期天第81页,共98页，2024年2月25日，星期天1、32路输入模块2、32路输入模块3、RM2-DP12模块4、数码管状态显示5、ProfibusDP接口6、+24V电源7、扩展槽8、32路输出模块BE1-BE4：输入插槽BA1-BA4：输出插槽第82页,共98页，2024年2月25日，星期天模块地址编码第83页,共98页，2024年2月25日，星期天RM2-DP12模块第84页,共98页，2024年2月25日，星期天输入模块第85页,共98页，2024年2月