高功率二氧化碳激光器的原理介绍

光纤激光器近年发展势头迅猛，但是光纤激光切割机在金属加工领域的切割工艺上还有一些局限，比如光纤激光对薄板金属比较有利，对厚板加工还是存在局限，所以很难说，光纤激光器能够完全取代二氧化碳激光器，尤其在一些需要同时切割金属和非金属和领域。

　CO2激光的激发过程：CO2激光器中，主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦，可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用，为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。

　CO2激光器具有工作介质均匀、相干性好、结构简单、操作方便、能长时间稳定地连续工作、光束质量好、效率高、造价低等优点。具体突出的优势如下：第一，它是利用CO2分子的振动转动能级间的跃迁，有比较丰富的谱线，在10微米附近有几十条谱线的激光输出；第二，它的输出波段正好是大气窗口（即大气对这个波长的透明度较高），因此广泛被应用在国民经济和国防上，如激光诱发化学反应，切割、打孔、化学、通讯、雷达分析等方面；第三，它的功率比较大，能量转换效率比较高，从脉冲输出的能量和功率上都达到了较高的水平。

(1)高功率横流CO2激光器。

　　高功率横流CO2激光器，用于激光加工和热处理，激光器的整机呈一体化的箱体。箱体的上箱体中置有一体化的放电室、热交换器、风机系统、进出口导流器以及光学谐振腔，箱体的下箱体中置有激光电源、充放气系统、真空泵、镇流电阻箱和控制盒。与已有技术相比具有结构紧凑、安装调试和维修方便、激光器的工作效率高，整机的体积可以小型化的特点。它主要应用于金刚石工具、汽车齿轮、汽车安全气囊气体发生器等焊接中的应用，激光表面淬火与熔覆工艺及其在钢铁轧辊表面熔凝淬火、石油化工零件表面修复等方面的特殊应用。

　　(2)声光调QCO2激光器：为满足激光测距、环境探测、空间通讯及激光与物质相互作用机理研究等领域应用要求，研制了声光调QC02激光器。针对影响声光调QCO2：激光器输出的各种因素，利用调Q脉冲激光器速率方程对该激光器输出的主要技术参数进行了理论分析和计算，提出了声光调QCO2：激光器优化设计的方法，并进行了验证实验。

　　激光器脉冲重复频率为lHz～50kHz，在lkHz运转时获得的输出激光脉冲宽度为180ns，峰值功率为4062W，与理论计算基本一致。结果证明：通过声光晶体(AO)的优选及谐振腔的合理设计。可实现小型CO2激光器的高重频、窄脉宽，高峰值功率输出，并可通过光栅选线的设计方式和TTL信号控制实现此类激光器的波长调谐和编码输出。

　　(3)紧凑型长寿命射频激励波导CO2激光器:为了使CO2激光器在工业加工及军事上有更广泛的应用,采用铝合金拉制型材作为激光器壳体、盘装电感代替传统线绕电感的结构以及全金属封接工艺等,研制出一种紧凑型长寿命射频激励波导CO2激光器.可连续输出或在不高于20kHz调制频率下脉冲输出,最大输出功率30W,实测工作寿命超过1500h,存储寿命超过1.5a.结果表明,这种激光器具有结构紧凑、输出功率稳定、工作寿命长、可连续及脉冲调制工作等特点,除了能满足各种材料的加工,也可在军事上应用。

　　(4)新型便携式TEACO2激光器：它是一种新型便携式横向激励大气压CO2激光器。该激光器采用4节5号充电电池直流供电,在1Hz重复频率条件下,可连续工作1h.激光器整机(包括电源及控制系统)尺寸为200nm×200mm×360mm,质量小于8kg.激光器使用紫外电晕预电离方式,放电均匀、稳定.自由振荡情况下,激光脉冲输出能量达到35mJ,输出脉冲宽度为70ns。

　　(5)高功率连续CO2激光器：针对直升飞机发动机涡轮叶片采用连续激光熔覆出现裂纹及叶片变形的问题,在5kW连续横流CO2激光器上,采用新的电源控制方案,通过软件及相关控制,实现了脉冲激光功率输出.克服了采用高功率开关电源带来的成本和稳定性问题.且脉冲调制频率可达到5Hz,调制占空比可达到5%～100%.当采用4kW峰值功率,4Hz脉冲重复频率,占空比为20%时,在发动机叶片K403合会表面进行合金粉末StelliteX-40的熔覆实验.结果表明,熔覆后热影响区比连续激光减少50%,硬度提高5%,界面结合性能与母材相当,无熔覆裂纹及叶片变形。