第三章--轴快流二氧化碳激光器(1++h)

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。

3. 放电激励技术多样化直流高压（DC）放电、高频激励射频放电（RF放电） 2MHz～150MHz连续输出和脉冲输出4. 提高工作气体压力以提高激光功率：放电不均匀性和不稳定性增加。

提高激光功率可采用增加增益系数G 、饱和参量I S 、放电长度l 和减小损耗α等方法。

高气压下，G ∝p -1，I S ∝p 2。

提高气体压力虽然G 下降，但I S 增幅大，结果P W 随p 增大。

高功率CO 2激光器气压在5.3×103～1.3×104Pa 范围。

若高于1.3×104Pa ，只有在脉冲放电才能实现。

1212W S Gl P ATI T α⎛⎫=- ⎪+⎝⎭第七章 轴快流CO2激光器第七章 轴快流CO2激光器5.设计最佳放电E/N值提高激光效率选用合理气体混合比、增加预电离、外界电离源使E/N值达到最佳值，以提高电光转换效率。

E/N值物理意义是电子在碰撞中获得的能量。

6.提高光束质量高功率激光器中，CO 2激光器光束质量最好（工作物质密度均匀）；光束质量越好，聚焦后光斑尺寸越小。

发散角θ=λ/D 0 D 0：光束腰斑。

第七章 轴快流CO2激光器第七章 轴快流CO2激光器7.红外光学镜片高功率状态下，激光输出窗口晶体和全反射镜的热畸变是功率提高和光束质量改善关键问题。

提高全反射镜反射率，减少膜层吸收，基材选用和冷却，抛光，超精车等工艺也很重要。

第七章 轴快流CO2激光器7.2 轴快流激光器结构和工作原理组成：放电管、电极、谐振腔、电源、快速流动气体循环系统（风机和热交换器等组成）。

第七章 轴快流CO2激光器7.2.1 核心技术之一：风----气体流动激光器的气体流动轴快流CO2第七章 轴快流CO2激光器怎样实现高流速？？我国大飞机核心技术为使气体在轴向高速流动要求有一个流量较大、压差也较大的激光风机使气体高速循环使用。

能满足上述流量的压差要求的风机有两种：罗茨风机（roots-blower）和涡轮风机（turbo-blower），气流速度达300～600m/s。

第七章 轴快流CO2激光器罗茨：风速高，冷却效果好；高罗茨风机可靠性；对激光腔有轻度污染；低噪声，低振动；维护周期长；流量较小涡轮：风速高，压比大，冷却效果好；高可靠性；对激光腔没有污染；低噪声，低振动；免维护；能耗低；体积小，与激光器的集成度高；7.3.2 电==气体放电+电源（1）放电管的内径约20mm，长度约300mm。

采用硬质（GG－17）或石英玻璃管。

管径大小与光束质量有激光输出，内径关，内径17mm时，可获得基模TEM0020mm时，TEM00＋TEM01模激光输出。

（2）直流电极阴极采用镍片，圆筒形（也有采用小孔形、环形阴极）阳极采用紫铜，内径与放电管内径相同，外径大于放电管外径。

气流是从阳极与放电管的陶瓷套之间的狭缝流进放管的。

第七章 轴快流CO2激光器轴快流CO2激光器的电励第七章 轴快流CO2激光器连续放电第七章 轴快流CO2激光器低频率脉冲放电第七章 轴快流CO2激光器（3）开关电源---直流激励源气体击穿电压(15-20kV)；负阻抗特性要匹配；激励电源的电流1—100mA调制频率0—2kHz电源效率高、体积小和响应速度快。

第七章 轴快流CO2激光器（4）射频放电电极第七章 轴快流CO2激光器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。

第七章 轴快流CO2激光器7.2.3 核心技术之三：激光谐振腔尾镜窗口单折腔U形多折腔矩形多折腔第七章 轴快流CO2激光器轴快流CO2激光器的光腔结构特点：（1）玻璃管限制放电区域，放电效率高（2）玻璃管长而且细，光腔菲涅尔N较小。

光束质量好。

N=a2/λLa--窗口半径L-腔长第七章 轴快流CO2激光器轴快流CO2激光器的激光输出第七章 轴快流CO2激光器轴快流激光器光学谐振腔结构图常用材料：不锈钢，殷钢，碳素纤维作用：用来支撑激光谐振腔，使激光谐振腔不受温度、真空压力、机械震动等因素的影响，保证激光谐振腔的稳定，以保证激光功率和激光模式的稳定。

（1）光桥第七章 轴快流CO2激光器第七章 轴快流CO2激光器轴快流激光器光学谐振腔结构图第七章 轴快流CO2激光器（2）输出窗口和尾镜输出窗口及尾镜结构图第七章 轴快流CO2激光器7.2.4 输出特性轴快流CO2激光器是自持放电CO2激光器中电: 光转换效率最高的一种激光器。

选择最佳的CO2 N2 : He的混合比，降低E/N比，最佳气体压力和最佳输出窗口的透过率，可获得最佳的电光转换效率。

2013-9-11激光器件原理与设计30第七章 轴快流CO2激光器下图给出了不同工作气体配比、气压下效率η与注入电功率P的in 关系曲线。

2013-9-11激光器件原理与设计31第七章 轴快流CO2激光器激光模式激光功率4100W下的烧斑TEM00+01模第七章 轴快流CO2激光器. 工作特性：增强脉冲输出（1）激光束由连续输出状态发展到闸栅脉冲（Gated Pulse）和尖脉冲（Spike Pulse）。

但平均功率太低，在激光切割、焊接等材料加工中没有优越性，只是在激光打孔中有些用处。

(2)增强脉冲（Enhanced Superpulse），在每一个脉冲的开始部分有一能量很高尖脉冲，脉宽约10μs至150μs，同时平均功率较高。

2013-9-11激光器件原理与设计33触摸屏控制面板PLC控制系统RS485总线执行单元(接触器、空开、继电器等）真空泵抽气用混气单元充排气用变频器涡轮风机气体循环高压电源激光激励源功率计功率检测光闸防护数控接口第七章 轴快流CO2激光器 控制系统第七章 轴快流CO2激光器7.3 、国内外高功率CO2激光器发展现状1.国外德国Trumpf公司、Rofin-Sinar公司，美国 PRC公司、Prima North America公司等世界著名激光企业，牢牢占据着激光这一先进制造技术的制高点,推动钢铁、汽车、电子等主要制造业，基本完成了传统加工工艺技术的更新换代，进入“光加工”时代。

与此同时，形成了成熟的激光产业链，推动了全球激光产业的高速发展。

国外目前金属材料激光切割机大量采用2000W---4000W轴快流CO激光2器其原因是运行成本低，加工种类多，切割速度快。

第七章 轴快流CO2激光器国外主要轴快流激光器样本Trumpf （德）TLF系列大功率轴快流激光器最大功率：15000WK=0.24第七章 轴快流CO2激光器国外主要轴快流激光器样本PRC （美）激光器STS 系列大功率轴快流CO2直流激励最大功率：5000 WM2<2.5第七章 轴快流CO2激光器国外主要轴快流激光器样本Fanuc（日）激光器C 系列大功率轴快流CO2最大功率：6000 W第七章 轴快流CO2激光器2.国内激光器。

直流激励。

最武汉科威晶：LANCE系列大功率轴快流CO2大功率：4000 W第七章 轴快流CO2激光器东京东方（中国南京）激光器NEL系列大功率轴快流CO2直流激励最大功率：2000 W国内轴快流CO2激光器实力最雄厚生产商。