第三章--轴快流二氧化碳激光器(1++h)

ROFIN TRIAGON® TR50轴快流CO2激光器性能特点及应用领域介绍本激光器为TRIAGON®系列直流激励轴快流CO2激光器，可以与计算机数控系统集成联动，用于激光切割、激光焊接、激光打孔、激光表面处理工程和金属零件激光三维自由成型等方面。

1.激光器技术指标1.1 本激光器额定功率为5kW，是波长为10.6μm的红外不可见激光。

1.2本激光器指示定位采用的是波长为635nm的红色可见激光。

1.3本激光器的控制既可以由操作面板完成，也可以通过机床的CNC 控制系统完成。

1.4激光器技术参数2.激光器的技术特点及主要应用方面介绍本激光器配备有内部程序控制器，可以在很大范围内同时控制输出激光的功率和脉冲时间长短，并且可以存储100个激光控制程序，激光程序控制器的控制内容及应用方面如下所述。

3.激光器的循环冷却水及其技术要求4.激光器的冷却油及其技术要求本激光器的镜子和高压供电系统都通过油进行冷却。

镜子冷却油有循环环路，其技术要求如表4.1所示。

高压供电系统在密闭的容器中冷却，其技术要求如表4.2所示。

5.激光器的电压与相序监控本激光器都有内部掉相、相序、相失衡和欠压监控设施。

如果出现上述问题，继电器将立即关断，同时，系统给出提示信息“Mains interlock（电源互锁）”。

当单相电压低于交流网线的10%，或者全部相的总电压低于交流网线的20%时，系统会自动关断。

如果监控继电器被短路或者监控功能失效，在有电压波动的情况下，变频器或高压供电系统将关断激光器。

6.激光器的水流监控本激光器的水流通过水路中的流量控制开关来监控。

低于规定的流量时，系统将关断激光器，并给出提示信息“Water flow too low（水流量太低）”。

7.激光器的气压监控本激光器对很多气体压力进行监控，包括He、N2和CO2气体的输入压力及激光器工作时的气体压力。

华中科技大学激光技术与工程研究院华中科技大学激光加工国家工程研究中心二００三年四月一日。

二氧化碳 ( CO2)激光器介绍二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器，其波长为10.6 微米附近的中红外波段。

其通过连续波、脉冲和高能量超脉冲技术以不同的能量和时间照射人体皮肤组织，组织吸收激光能量后主要发生光热反应，可使皮肤组织切割、汽化、碳化、凝固或适当变性，达到祛除病变，同时止血或结痂，改变皮肤肌理，达到治疗或理疗的目的。

二氧化碳 ( CO2)激光器原理CO?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，CO?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。

二氧化碳 ( CO2)激光治疗仪器作用（1）按输出方式分1）连续输出；2）脉冲输出——调制频率高达1MHz；3）Q开关输出——电光调Q与声光调 Q。

（2）按谐振腔的工作分1）波导腔——孔径D=1～3mm；2）自由空间腔——孔径D=4～ 6mm。

（3）按激励极性分1）单相；2）反相。

（4）按腔体结构分1）单腔；2）多腔；（a）折叠腔： V 型—— 2 折； Z 型—— 3 折； X 型—— 4 折。

（b）列阵腔：短肩列阵；交错列阵。

（c）积木式：并联— 2 腔；三角组联— 3 腔。

3）大面积放电（a）平板型，（ b）同心环型。

（5）按均恒电感分布方式分1）准电感谐振技术—用于低电容激光头；2）平行分布电感谐振技术—用于高电容激光头。

（6）按谐振腔材料分1）陶瓷—金属混合型；2）全陶瓷型； 3）全金属型。

二氧化碳激光器一.CO2激光器简介二氧化碳激光器，可称“隐身人”，因为它发出的激光波长为10.6微米，“身”处红外区，肉眼不能觉察，它的工作方式有连续、脉冲两种。

连续方式产生的激光功率可达20千瓦以上。

脉冲方式产生波长10.6微米的激光也是最强大的一种激光。

人们已用它来“打”出原子核中的中子。

二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展，也是光武器和核聚变研究中的重大成果。

最普通的二氧化碳激光器是一支长1米左右的放电管。

它产生的激光是看不见的，在砖上足以把砖头烧到发出耀眼的白光。

二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。

放电管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮气，一般还有少量的氢或氙气）；电极一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。

当在电极上加高电压（一般是直流的或低频交流的），放电管中产生辉光放电，锗镜一端就有激光输出，其波长为10.6微米附近的中红外波段；一般较好的管子。

一米长左右的放电区可得到连续输出功率40～60瓦。

CO2激光器是一种比较重要的气体激光器。

这是因为它具有一些比较突出的优点：1.它有比较大的功率和比较高的能量转换效率。

一般的闭管CO2激光器可有几十瓦的连续输出功率，这远远超过了其他的气体激光器，横向流动式的电激励CO2激光器则可有几十万瓦的连续输出。

此外横向大气压CO2激光器，从脉冲输出的能量和功率上也都达到了较高水平，可与固体激光器媲美。

CO2激光器的能量转换效率可达30～40%，这也超过了一般的气体激光器。

2.它是利用CO2分子的振动-转动能级间的跃迁的，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。

近年来发现的高气压CO2激光器，甚至可做到从9～10微米间连续可调谐的输出。

3.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）。

除此之外，它也具有输出光束的光学质量高，相干性好，线宽窄，工作稳定等优点。

团结普瑞玛培训教程之三（1）上海团结普瑞玛激光设备有限公司2019年7月25日二氧化碳激光器王瑞延 徐世璞 付百泉 编写目录二氧化碳激光器 (1)第一章光学基础 (1)第二章激光 (5)第三章激光器组成 (5)第四章激光器的工作方式 (6)第五章激光束模式 (6)第六章激光器分类 (9)第七章二氧化碳激光器 (10)一快速轴流CO2激光器 (13)二横流CO2激光器 (14)三扩散冷却CO2激光器 (15)四激光谐振腔 (17)五激光束聚集 (18)第八章几种典型的激光器产品 (19)一CP4000激光器 (20)二Rofin激光器 (20)三PRC激光器 (21)第一章光学基础光波实质上是电磁波，最简单的形式就是单色线偏振在自由空间传播。

电场和磁场是按正弦规律变化的。

如图1。

图 1 电磁波单色光：只有一种颜色的光就是单色光，即单一波长，波带比较窄。

电场和磁场互相垂直，按相同的方向传播。

而非偏振光的电场和磁场相位之间是随机的，没有固定的相位关系。

光波是一种横波，它的光矢量是与传播方向垂直。

如果光波的光矢量方向始终不变，只是大小随相位改变，这样的光叫线偏振光。

如果光矢量的大小保持不变，而它的方向绕传播方向均匀的转动，其末端轨迹是个圆，这样的光叫圆偏振光。

如果光矢量的大小和方向都在有规律的变化，光矢量末端沿着一个椭圆转动，这样的光叫椭圆偏振光。

激光器发出的光通常是线偏振光或非偏振光，也可以在外部增加光学元件来产生圆偏振光。

圆偏振光在激光材料加工中非常有用，尤其是金属材料的切割。

因为S光在金属表面的反射比P光大得多，当加入一个90°的圆偏振镜，如果S光和P光的振幅相等，它们之间会产生90°的相位差或相位差等于四分之一波长，线偏振光就转变为圆偏振光。

几何光学的光线是按理想的直线传播，即折射和反射。

折射率n=c/v其中c是光在真空中的传播速度，大约3×108米/秒；v是光在介质材料中的传播速度。

第七章 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 高功率流动CO2激光器共性技术7.2 轴快流CO2激光器原理结构7.3 主要轴快流CO2激光器展示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---不流动第七章 轴快流CO2激光器（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。

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。

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。

⼆氧化碳激光器⼆氧化碳激光器1.⼆氧化碳激光器的发展历史1964年由Patel在CO2⽓体放电中，获得了波长在10.4微⽶和9.4微⽶附近的连续激光输出，世界上第⼀台CO2分⼦的激光器诞⽣了。

它有⽐较⼤的功率和⽐较⾼的能量转换效率。

它是利⽤CO2分⼦的振动-转动能级间的跃迁的，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。

其在⼯业、军事、医疗、科研等⽅⾯得到了⼴泛的应⽤，给我们的实现⽣活带了许多便利。

1966年⽓动CO2激光器诞⽣了，从此CO2激光器受到了极⼤的关注。

由于激光技术中⽓动技术的引进，CO2激光器开辟了⼴阔的运⽤前景。

伴随着科学技术的进步，世界各国的激光技术也得到了相应的发展，⼆氧化碳激光器是⽬前连续输出功率较⾼的⼀种激光，它发展较早，商业产品较为成熟，被⼴泛应⽤到材料加⼯、医疗使⽤、军事武器、环境量测等各个领域。

在激光的发展和应⽤⽅⾯，CO2激光器的制作和应⽤较早也较多，早在1970年代末期，就有从国外直接进⼝CO2激光器，从事⼯业加⼯和医疗等应⽤。

从80年代末期开始，CO2激光器被⼴泛引进并应⽤在在材料加⼯领域。

2.⼆氧化碳激光器的基本⼯作原理如下图所⽰为CO2激光器的产⽣激光的分⼦能级图。

CO2分⼦激光跃迁能级图从图中可以分析得到CO2激光的激发过程，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。

加⼊的氦有两个作⽤：⼀个是可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空；另⼀个是实现有效的传热。

氮⽓的加⼊主要在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。

泵浦采⽤连续直流电源激发。

它的直流电源原理：直流电压为把接⼊的交流电压，⽤变压器提升，经⾼压整流及⾼压滤波获得⾼压电加在激光CO2激光器是⼀种效率较⾼的激光器，不易造成⼯作介质损害，发射出10.6µm 波长的不可见激光，是⼀种⽐较理想的激光器。

二氧化碳激光操作技术书籍《二氧化碳激光操作技术》是一本关于使用CO2激光器进行操作和应用的专业书籍。

下面是对该书的详细回答，超过1200字。

第一章介绍了二氧化碳激光的基本原理和特点。

二氧化碳激光是一种波长为10.6微米的红外激光，具有较高的聚焦能力、较大的穿透力和较强的切割能力。

本章主要讲解了CO2激光的发射原理、激光光束特性和激光能量参数的测量方法。

第二章介绍了二氧化碳激光器的结构和工作原理。

该章节详细讲解了CO2激光器的主要零部件和工作原理，包括放电管、电源系统、冷却系统、共振腔和输出系统等。

同时还介绍了CO2激光器的调谐和稳定技术，以及常见的工作模式。

第三章是关于CO2激光系统的操作和控制技术。

该章节包括了对二氧化碳激光器的启动、调谐、功率控制和稳定性控制等方面的详细讲解。

此外，本章还介绍了CO2激光器的保护技术和安全操作规范，包括对激光束的防护和操作人员的防护措施等。

第四章讲解了CO2激光加工技术。

本章主要从切割、打孔、焊接和表面处理等方面介绍了CO2激光的应用技术。

其中，对于不同材料的激光加工特性进行了分析和比较，以及常见的加工工艺和参数选择等方面进行了讲解。

第五章是关于CO2激光技术在工业生产中的应用。

本章详细介绍了二氧化碳激光在汽车制造、航空航天、电子制造、医疗器械和玻璃加工等领域的应用案例。

同时还探讨了CO2激光技术的发展趋势和前景，以及如何选择和购买CO2激光器等方面的内容。

第六章是关于CO2激光器的维护和故障排除。

本章提供了CO2激光器的日常维护方法和周期性检查项目，以及常见故障原因和排除方法。

此外，还介绍了CO2激光器的维修和维护技术培训等内容，以帮助读者更好地了解和运用CO2激光技术。

第七章是对CO2激光技术的展望。

本章从技术发展和市场趋势两个方面进行了分析和总结，预测了将来CO2激光技术的发展方向和应用领域。

同时，还提出了一些改进和创新的建议，以促进CO2激光技术的进一步发展和应用推广。