教程之三1-二氧化碳激光器.

1、团结普瑞玛培训教程之三（1）二氧化碳激光器王瑞延徐世璞付百泉编写IkdOUNITYPRIMlA上海团结普瑞玛激光设备有限公司2022年4月26日目录TOC o 1-5 h z二氧化碳激光器1第一章光学基础1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第二章激光5 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 第三章激光器组成5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 第四章激光器的工作方式6 HYPERLINK l bookmark24 o Current Documen

2、t 第五章激光束模式6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 第六章激光器分类9 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 第七章二氧化碳激光器10 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 一快速轴流CO2激光器13 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 横流CO2激光器14 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 扩散冷却CO2激光器15 HYPERLINK l bookm

3、ark58 o Current Document 激光谐振腔17 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 激光束聚集18 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 第八章几种典型的激光器产品19 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document CP4000激光器20 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document Rofin激光器20 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document PRC激光器21二氧

4、化碳激光器二氧化碳激光器二氧化碳激光器 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

5、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3X108米/秒；V是光在介质材料中的传播速度。因为光在介质材料中的传播速度小于在真空中的传播速度。因此，n是大于1的实数。当光线入射到两种不同折射率介质的界面时，假定是镜面反射，镜面的粗糙度小于光波波长的

6、平方根，光线将发生折射和反射，如图2。图1反射如果镜面的表面粗糙度相当于波长时，入射角和反射角就是随机的，将出现“散射”或漫反射，如图3。大多数镜面的表面都是漫反射表面和镜面混合的。因为并不是理想的镜面，根据:口(n-n)2(n+n)212可以计算功率被反射的情况。下表给出几种红外半导体材料的性能：材料硒化锌(ZnSe)砷化稼(GaAs)锗(Ge)碲化镉(CdTe)硫化锌(ZnS)折射率(n)2.43.34.02.72.2吸收系数(cm-1)W0.00050.010.030.0018n,入射光波和反射光波将发生180相位差。折射定律也就是众所周知的斯涅尔(Snell)折射定律，如图4。当线偏振

7、光垂直于入射面，反射光线和平行于入射面的折射光线成90时，如图5：到。这就是布儒斯特(Brewster)定律。反射定律、折射定律和布儒斯特定律在激光应用中会经常遇近轴光线凹球面反射镜的成像,如图6。 #可根据反射定律给出以下方程：1112+=SSfR其中S是物距，S是像距，f是反射镜的焦距，R是反射镜的曲率半径。在实际激光应用中，大多数采用简单的薄透镜聚焦，如图7。图6ss图711111+(n1)()SSfRR12这里S、S和f与上式相冋，其中n是折射率，R1是透镜左边的曲率半径，R2是透镜右边的曲率半径。对于平凸透镜来说，R2无穷大，那么f=R/(n-l)CO2激光加工设备的聚焦透镜主要采用

8、硒化锌材料。这种红外半导体材料对10.6pm波长的透过率为70%，吸收系数比砷化镓和锗低两个数量级，并且有良好的热传导率等性能。二氧化碳激光器二氧化碳激光器 聚焦透镜的两个表面均镀有增透膜，以降低反射损失。反射镜一般采用直接水冷的铜镜，表面镀金或其他抗氧化高反射率材料。第二章激光激光，来源于英文Laser，而Laser又来源于LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation。有人翻译成镭射，同时兼具音译和意译的妙处。激光的诞生与爱因斯坦有关。1917年爱因斯坦提出受激辐射概念1，是激光的重要理论基础。这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能

9、量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。激光是受激辐射的光放大，就是利用分子或者原子的能量来放大光。关键之处在于，要维持高能级原子数大于低能级原子数，这种状态称为“粒子数反转”。要实现粒子数反转，需要利用激活介质,所谓激活介质(也称为工作介质或放大介质)，就是可以使某两个能级间呈现粒子数反转的物质。利用适当的技术把能量传递给激活介质，使原子或分子从低能级跃迁到高能级，形成粒子数反转。这个过程被称做“泵浦”，又称做“激励”。第三章激

10、光器组成激光器一般由三部分组成：能实现粒子数反转的工作介质它可以是气体，也可以是固体或液体。现有工作介质近千种。例如氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子的两个能级实现粒子数反转。激励源(又称泵浦源)为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”，2以维持处于高能级的粒子数比低能级多，实现粒子数反转。粒子数反转随温度升高而减少，CO2激

11、光器的输出功率与气体温度密切相关，降低气体温度就能够提高激光器的输出功率。要排除CO2激光器放电产生的热量，1爱因斯坦(Albert.Einstein,1879.3.141955418.)，20世纪最伟大的物理学家，生于德国。于1916年发表论辐射的量子性，区分了三种过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射。2泵浦就是pump(泵)的音译，通常在真空技术等少数地方沿用这种叫法。有两种方法：第一是扩散冷却，靠放电管的管壁通冷却水把热量排除；第二是让工作气体高速流动，通过热交换器并不断补充新鲜气体把热量排除。（3）光学共振腔共振腔的作用是：使工作介质的受激辐射连续进行；不断给光子加速；限制激光输出的方向

12、。最简单的光学共振腔是由放置在激光器两端的两个相互平行的反射镜组成。第四章激光器的工作方式（1）连续激光激光泵浦源持续提供能量，在激光工作介质中长时间地建立粒子数反转的条件，长时间地产生激光输出，从而得到连续激光。连续激光的输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作（如激光通信、激光手术等）的场合。（2）脉冲激光脉冲工作方式是指每间隔一定时间才工作一次。脉冲激光器具有较大输出功率，适合于激光打标、切割、测距等。（3）巨脉冲激光巨脉冲激光器发出的激光时间很短，约为一亿分之几秒到十亿分之一秒，能输出极大的功率。（4）超短脉冲激光超短脉冲激光器发出的激光，持续时间只有几百亿分之一秒到一万亿分之一秒

13、，甚至还要短。第五章激光束模式激光束横截面上光强的分布情况称为激光横模。一般笼统地把横模当作激光模式。用符号TEMmn表示各种横向模式。TEM表示横向电磁波，m、n均为正整数，分别表示在x轴和y轴方向上光强为零的那些点的序数，称为模式序数。下图示出了几种不同的激光束横模的光斑。TEM00模又称基模，其光斑中任何一点光强都不为零。若光斑在x方向上有一点光强为零，称为TEM10模；在y方向上有一点光强为零，称为TEM01模。以此类推，模式序数m和n越大，光斑中光强为零的点的数目越多。有不同横向模式的激光束称为多模。氧化碳激光器氧化碳激光器 # TEMboTEMoiTElltoiTEMioTEM11

14、图8模式光斑上图中，TEM00模，称为基模。TEM*oi模，是单环模，也叫准基模。为了与TEM01区分，特地加上星号*。TEM01模与TEM10模其实可视为相同的模式，因为X、Y轴原本就是人为划分的。下面示出的是几种模式的立体图。图9TEM00模式立体图图11TEM20模式立体图图12TEM23模式立体图 #图13多模横模分为轴对称横模和旋转对称横模。表1轴对称模式光斑二氧化碳激光器氧化碳激光器 TEMHTEM81TEM82TEM83TEM84TEM85TEM86TEM87L*e.Ll-ai.*J8nr-：1-1*1除上面所列出的模式外，还有两种比较特殊的模式：D模、Q模。表2旋转对称模式光斑

15、图14D模图15Q模第六章激光器分类激光器按工作介质的不同，分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。气体激光器是一类以气体为工作介质的激光器。此处所说的气体可以是纯气体，也可以是混合气体；可以是原子气体，也可以是分子气体；还可以是离子气体、金属蒸气等。多数采用高压放电方式泵浦。最常见的有氦-氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦-镉激光器和铜蒸气激光器等。气体激光器具有结构简单、造价低，操作方便，工作介质均匀，光束质量好，能长时间较稳定地连续工作的特点。也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有60以上的市场。团结普瑞玛的机器所采用的激光器几乎都是二氧化碳激光器。所以，我们

16、主要介绍CO2激光器。第七章二氧化碳激光器二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作介质的气体激光器，1964年由帕特尔（Patel）发明。是一种能量转换效率较高和输出最强的气体激光器。CO2激光器采用的就是电激励方式。CO2激光器具有以下重要特性：高功率。高效率。总体能量转换效率可达10%左右。高光束质量。相干性好，模式稳定。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）。这些特性使二氧化碳激光器在众多领域得到广泛应用。工业上用于多种材料的加工，包括打孔、切割、焊接、退火、熔合、改性、涂覆等；医学上用于各种外科手术；军事上用于激光测距激光雷达等。二氧化碳激光器放电管通常是由玻璃或石英材料制

17、成，里面充以CO2气体和氦气和氮气；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（或砷化镓）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，1米长左右的放电区可得到连续输出功率4060瓦。CO2激光器采用的就是电激励方式，Nd:YAG激光器采用的是光激励方式。比高能级寿命更长的特定能级叫做“亚稳态”在含有N2气放电时发生的物理化学过程中，这个能级起非常重要的作用。耳隹八、OCO非对称振动分子振动模型图2CO2分子振动模型CO2分子是三原子分子，有三种振动模式

18、：对称振动：组成CO2分子的三个原子沿对称轴C振动，但碳原子保持在它的平衡位置上，两个氧原子则同时向着或背着碳原子作振动。弯曲振动：CO2分子的三个原子不是沿对称轴C振动，而是垂直于对称轴振动；并且碳原子的振动方向与两个氧原子的振动方向相反。反对称振动：CO2分子的三个原子沿对称轴C振动，其中碳原子的运动方向与两个氧原子的运动方向相反。根据爱因斯坦的受激辐射原理，从光源发射出来的光束是一群具有能量的“粒子流”。组成这一“粒子流”的“粒子”称做一个“光子”。“光子”的能量由辐射频率来决定。辐射频率越高，光子的能量也越高。辐射频率为v的光束，其光子能量为E=hv。其中h是普朗克常数6.63X10-

19、34JS。根据能级图很容易计算CO2两能级之间的辐射波长:hcE-El其中，C光在真空中的速度，3X108米/秒已口一高能级的能量E低能级的能量=10.6pm6.63x10-343x1081.88x10-20CO2激光器的量子效率就是：E-E1.88x10-20n=u4=0.38E4.96x10-20u目前，在高速轴流CO2激光器中，实际的电光转换效率可达24%。这是各种激光器中转换效率最高的之一。以CO2作为激活介质，产生激光的过程，对气体分子的温度是非常敏感的。当输入功率增加时，气体温度将升高。因为CO2分子激光是由振动能级之间的跃迁发射的，激光跃迁的振动能级离基态比较近。因此，当工作气体

20、的温度升高时，上激光能级驰豫速率增大，加快了激发态粒子的消激发速率；而下激光能级的热激发速率增大，结果也就导致能级粒子数反转值随温度升高而减少。当气体温度上升到150C，激光器的输出功率将下降。根据能量守恒定律：P=P-P输出输入热量那么实际上激光效率就是：e=P/P输出输入e为了更清楚的表达输出功率和热量的关系，输出功率可以写成：P亠=1P卓输出热量要排除co2激光器放电产生的热，有两种基本方法：第一种方法是扩散冷却，靠放电管的管壁通冷却水把热量排除；第二种方法是让工作气体高速流动，通过热交换器并不断补充新鲜气体把热量排除。通常，CO2激光器主要使用三种工作气体：CO2、N2和He。封离式和

21、准封离式CO2Slab激光器在三种气体基础上增加CO（一氧化碳，carbonmonoxide）和Xe（氙，惰性气体）气体，目的是提高激光器的输出功率和延长激光器的使用寿命。激活介质co2气通过气体放电激发；n2分子通过电子碰撞将能量转移给co2分子。因为n2分子的第一振动能级与CO2分子的上激光能级很靠近，能量相差仅1800m-1。受激发的CO2分子从上振动能级跃迁到低振动能级是以光子的形式释放能量。在这两个特定的能级之间发射10.6Am波长的激光。He原子与CO2分子碰撞以后，CO2分子返回基态再进行下一个循环。He气的主要作用是热导率很高，比CO2和N2的热导率高一个数量级，能够有效的降低

22、工作氧化碳激光器氧化碳激光器二氧化碳激光器 气体的温度。因为CO2激光器的输出功率与气体温度密切相关，降低气体温度就能够提高激光器的输出功率。在封离式和准封离式CO2激光器中加入CO主要是补偿CO2分子的离解损失。CO分子与气体放电中产生的氧原子发生作用生成CO2分子。CO气体也是双原子分子。它的第一振动能级与CO2分子的上能级也很接近。因此，在混合气体中加入CO能够提高激光器的输出功率和延长激光器的使用寿命。在封离式和准封离式CO2激光器中加入Xe气可以提高激光器的输出功率和能量转换效率。原因是Xe气的电离电位比较低，在混合气中加入Xe气后能够明显的增加放电区的电子密度。一快速轴流CO2激光

23、器快速轴流co2激光器具有较大的输出功率和良好的光束模式，激光输出功率一般从几百瓦到20kW，并且有较好的功率稳定度及脉冲功能。这些性能在实际应用中至关重要。在快速轴流CO2激光器中（如图2），RFexcitedfastaxial-flowC02Laser(RQFINSRSeries)7LbeamOutputrnirroc(wliitieresonatorversionRFexciteddischargeRFexcitationGroundporemialIoldminor,(cornercubearrangmrGasinleiGasodUet1.激光束Laserbeam4.高压电源FRexc

24、itation7.进气口Gasinlet输出窗口Outputmirror(stableresonatorversion)5.接地Groundpotential8.回气口Gasoutlet图3快速轴流CO2激光器放电管RFexciteddischarge折反镜Foldmirror(cornercubearrangemenr)尾镜Rearmirror9Rfiarn)iFTQT放电区上游和下游混合气体的温度分别为Tu、Td。通常上游的气体温度一般为20C左右,下游的气体温度将达到115C左右。上、下游的温差为dmTd-Tu=P/Cp-热量dt这里Cp是混合气体的比热，dm/dt是质量流量（克/秒）。

25、根据方程式（3）给出输出功率P的表达式：输出edmTOC o 1-5 h zP=（）（TdTu）Cp（5）输出1edt由上式可以看出输出功率和质量流量成正比，质量流量：dm/dt=pVA（6）其中p气体密度；V气体流速；A放电区的截面积正是这个原因，目前快速轴流CO2激光器均采用罗茨风机或轴流风机（涡轮机），以提高混合气体的流速，通常可以达到200米/秒左右。快速轴流CO2激光器主要由以下部分组成：光学谐振腔、放电管、真空系统和供气系统、激活介质（C02、N2、He）、涡轮机、冷却系统、高压直流电源或射频电源（RadioFrequency）。光学谐振腔快速轴流CO2激光器的谐振腔由四个光学镜片

26、组成：输出窗口（ZnSe）,全反射镜（Ge）和两个折返镜（铜镜，表面镀金）组成。它们分别固定在两个互相平行的刚性端板上。端板由三根热膨胀系数极低的殷钢或碳纤维管支撑,谐振腔的所有元件均采用直接通水冷却，水温控制在一个恒定温度，以获得良好的光学稳定性。激活介质快速轴流CO2激光器的激活介质由三种气体（5%CO2,30%N2,65%He）混合而成。工作压力约在85torr3左右，流速约200米/秒；通过放电管的流量2400米3/小时。高压电源快速轴流CO2激光器的高压电源目前均采用IGBT开关型高压电源。在放电石英管的两端施加大约20kV的直流高压，或采用射频激励方式。对于材料切割而言，光束质量是

27、至关重要的。按高斯功率密度分布（TEM00模），切割的速度和边缘质量要比高阶模和低光束质量的好。快轴流CO2激光器可产生较好的光束质量，M2V2.5。目前大多数激光切割机均采用快轴流CO2激光器作为光源。横流CO2激光器横流CO2激光器的气流方向与光学谐振腔的光轴、放电通道相互垂直，如图3。31托（Torr）=1毫米汞柱（mmHg）=133.322帕（Pa）热交换器正切风机电极固定反射镜尾镜及功率监测固定反射镜输出反射镜热交换器图3气体循环采用正切风机，气体流速相对要慢一些，通常在50米/秒。风机和热交换器置于容器内，放电区的上、下游热交换器把气体放电的热量排除。放电电极采用板式直接水冷，实现

28、大面积辉光放电。放电通道为矩形，在谐振腔的两个反射镜之间形成多程振荡。因此，可以获得较大的激光功率，但激光模式相对较差，一般为多模M27,大多数用于激光焊接和激光表面处理。扩散冷却CO2激光器最初的扩散冷却CO2激光器是把混合的气体密封在放电的石英管内，在放电管的两端加上直流高压，形成气体辉光放电而产生激光。放电产生的热量靠放电管壁的热传导把热量排出。激光输出功率只能达到70瓦/米。冷却水高压电源冷却水反射镜气体CO2NHe折返拔(AT限可选)J输出反射镜气体图4扩散冷却CO2Slab激光器与最初的扩散冷却CO2激光器的结构已经完全不同，如图5。图4CO2Slab激光器放电电极采用直接水冷的大

29、面积铜板电极，激励电源采用射频激励。由于放电间隙很窄，热量与通水的电极板热交换良好，因此可以注入较大的功率。激光输出功率范围从几百瓦到几千瓦。光学谐振腔是由抛物面反射镜组成的非稳腔,经过外光路整形可以获得良好的光束质量(K20.9)。扩散冷却CO2Slab激光器主要分为封离式和准封离式。封离式CO2Slab激光器一次注入混合气体，一般可以工作8000小时；准封离式CO2Slab激光器一般可以工作72小时以上。一个10升气瓶大约可以使用一年以上。混合气体的主要成分是C02、N2、He、CO和Xe气。扩散冷却CO2Slab激光器具有以下特点：二氧化碳激光器二氧化碳激光器 #结构紧凑，几乎不存在磨损

30、部件(没有气体循环的高速风机)；光束质量好，K20.9；没有热交换器，靠放电铜极板直接冷却；气体消耗量极低，W0.15升/小时；气体不流动。由于采用射频激励，不存在阴极溅射问题，所以谐振腔反射镜没有污染激光谐振腔激光谐振腔也称作光学谐振腔，是激光器的重要组成部分。谐振腔的参数正确与否直接影响输出激光束的质量和激光功率。谐振腔主要分为两类：稳定腔和非稳定腔。光线能在腔内形成闭合振荡的叫做稳定腔；光线不能在腔内形成闭合振荡的叫做非稳定腔。我们可以用一个关系式来判断谐振腔是否稳定：0Wg1g2W1满足这个条件的是稳定腔，否则是非稳定腔。定义：LLg1=1,g2=1R1R2这里L是光学谐振腔的长度，R1、R2分别是全反射镜和输出窗口的曲率半径。当g1g2=0或g1g2=1时，被称作介稳腔，即介于稳定腔和非稳定腔之间。由两个球面镜组成的谐振腔产生