CO2激光器

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《特种加工手册》第9页（2256字）

气体激光器在实用上有He-Ne激光器、CO₂激光器和氩离子激光器等，其中在加工上应用最广的是CO₂激光器．据资料统计，在1990年国际商用激光加工系统的产值中，CO₂激光加工系统约占2／3．

CO₂气体激光器是在φ(He)=80%、φ(N₂)=15%、φ(CO₂)=5%的混合气体中进行放电，利用电子的碰撞激发工作物质，从而形成粒子数反转的分子激光器．

按照气体冷却方法的不同可将高功率CO₂激光器分成扩散冷却和流动冷却两大类，流动冷却又分为轴向流动、横向流动及螺旋流动等多种．

2．2．1．1 扩散冷却准封离型CO₂激光器

图2-1是准封离CO₂激光器的结构示意图，激光管包括3层套管，最里的一根是放电毛细管，在这里发生气体放电，并建立CO₂分子能级粒子数反转，形成激光振荡；中间的那根是通冷却水用的，激光器工作时，需要对放电毛细管冷却，这样做可以提高激光器的输出功率和使用寿命；最外的一根管是气体贮存室，它的作用是增大工作气体的体积，贮气套管与放电毛细血管之间通过一根回气管连通．

图2-1 准封离CO₂激光器结构示意图

较高功率的准封离型激光器都附带一个真空排气-充气系统，用来定期抽掉腔内的变质气体，充以新鲜气体而重新使用．图2-2为工业用的准封离型CO₂激光器，此种类型的CO₂激光器的工作气体不流动，直流自持放电产生的热量，靠玻璃管或石英管壁传导散热，故其热导率低，注入功率和激光功率受工作气体温升的限制，每米激光管的输出功率在50～70W之间，由于工作气体在放电过程中有分解，故其输出激光功率随运行时间延长而逐渐下降．其优点是结构简单，维护方便，造价和运行费均较低，在加工中若仅需数百瓦级激光功率时，采用此种准封离型CO₂激光器是适宜的．

图2-2 准封离型CO₂激光器示意图

2．2．1．2 横向流动型CO₂激光器

横流激光器是指工作气体沿着与光轴垂直的方向快速流过放电区以维持腔内较低气体温度的一种高功率激光器．图2-3为横流激光器的结构示意图，它通常由密封箱体(钢壳)、谐振腔(输出镜、拆叠镜、全反镜)、风机、热交换器和放电电极(阳极、阴极)等部分组成．

图2-3 横流CO₂激光器

此种类型的激光器，单位有效谐振腔长度的输出激光功率达每米10kW，商用器件的最大功率可达25kW．这种激光器的缺点是：光束质量较差，在好的情况下可以得到低阶模输出，否则为多模输出．横流激光器广泛应用于材料的表面改性加工领域．2．2．1．3快速轴流型CO₂激光器

轴向流动型激光器指的是激光工作气体沿放电管轴向流动实现冷却，气流方向同电场方向和激光方向一致．轴流型激光器包括慢速轴流(气流速度在50m／s左右)和快速轴流(气流速度大于100m／s，甚至可达亚音速)．慢轴流是早期产品，由于其结构复杂，输出功率低，未继续发展．

图2-4为快轴流激光器的典型结构，主要由细放电管、谐振腔(后球面镜、输出窗)、高压直流放电系统、高速风机(罗茨泵)、热交换器及气流管道等部分构成．

图2-4 快轴流CO₂激光器

快轴流激光器的特点是：光束质量好，功率密度高，电光效率可达26%，结构紧凑，可以连续和脉冲双制运行，使用范围广．

国内已研制成功500～1500W快速轴流CO₂激光器，并已形成产品，主要用于轧辊激光刻花、钢板高速切割与焊接等．国外商品的最大输出功率已达5kW．

2．2．1．4 螺旋流动型CO₂激光器

螺旋流CO₂激光器结构图见图2-5．它的工作气体以螺旋形式通过放电腔，其光轴方向与放电方向相同，与气流方向垂直，热交换器由螺旋形金属导片组成，分布在整个谐振腔中．

图2-5 螺旋流CO₂激光器结构图

螺旋流动与横向流动效果接近，但所需气泵的容量大大减少．这种激光器结构紧凑，体积小．

螺旋流CO₂激光器的最高功率已达3600W，并有系列产品出售．但这种激光器并未被用户广泛采用，我国尚无这种激光器．