高功率轴快流CO2激光器原理结构
二氧化碳激光器原理
二氧化碳激光器的基本原理1. 引言二氧化碳（CO2）激光器是目前应用广泛的一种激光器。
它具有高功率、高效率、波长适中等优点，广泛应用于医学、工业、军事等领域。
本文将详细解释与二氧化碳激光器原理相关的基本原理。
2. 激光器的基本构成二氧化碳激光器的基本构成包括：激发源、放大器和谐振腔。
2.1 激发源激发源是产生激发能量的部分，其作用是将外部能量转化为所需的激发能量。
在二氧化碳激光器中，常用的激发源是电子束和放电。
电子束激发源是通过加速电子束来激发工作气体中的气体分子，使其转化为激发态。
激发态气体分子在跃迁回基态时，将能量以激光的形式释放出来。
放电激发源则是通过电流通过工作气体产生的放电，使气体分子的电子激发到激发态。
放电释放的能量一部分转化为激光能量。
2.2 放大器放大器是将激发源产生的激光能量进行放大的部分。
在二氧化碳激光器中，常用的放大器是激光管。
激光管是一个封闭的管道，内部充满了CO2、氮气和氧气的混合物，称为工作气体。
放电激发源产生的激发态气体分子会与CO2分子碰撞，将能量转移到CO2分子上，并将CO2分子激发到激发态。
当CO2分子在跃迁回基态时，会释放出能量，产生激光。
激光经过多次反射和吸收，逐渐被放大。
放大器内部的反射镜和光学结构起到了引导光线的作用。
2.3 谐振腔谐振腔是将产生的激光能量反射和增强的部分，在二氧化碳激光器中，谐振腔由两个平行的反射镜组成。
其中一个镜子是半透明的，激光可以透过该镜子逃逸，这样可以输出激光能量。
另一个镜子是高反射率的，激光会被完全反射回去。
当激光在谐振腔中来回传播时，由于激光的波长符合谐振腔的长度，会产生共振现象，激光逐渐增强。
谐振腔的长度可以通过调整镜子之间的距离来改变，从而控制激光的频率。
3. CO2分子的能级结构为了更好地理解二氧化碳激光器的工作原理，需要了解CO2分子的能级结构。
CO2分子是由一个碳原子和两个氧原子组成的。
它的能级结构如下所示：•基态：所有的电子都处于能级最低的状态。
优选高功率轴快流激光器原理结构
德国Trumpf 的15kW-CO2 激光三维激光切割机
重大行业应用
现代船舶制造中已开始大量使用的轻型“三明治”多层空心结构厚钢板的 切割加工，更是对万瓦轴快流激光切割装备提出了迫切需求。
德国Trumpf公司的12kW--20kW轴快流CO2激光器已用于世界上许多大型船 厂的生产线上，可大大提高船舶的有效载荷，并大幅度减低制造成本。
光束质量参数
轴快流CO2激光器的诞生
轴快流CO2激光器是在早期的封离式圆形玻璃管纵向激 励CO2激光器的基础上发展而来的。
1965年，Bridge和Petel将放电管壁的温度冷却到60ºC以下来提高激光器的输出功率。 Moeller,
Rigder[8]以及Patel[9]等人则采用风冷和水冷的方式来 使放电管冷却。
Trumpf最新10kW激光器
HUST&OVL Convergent研究成 果
激光切割的市场需求
德国Trumpf推出了功率高达12kW的CO2激光复合加工机和功率高达 15kW的三维CO2激光切割机，表明了激光加工装备的高功率发展趋势！
德国Trumpf 12kW-CO2激光切 割、焊接和表面处理复合加工机
外面：30 mcx 里面：30 mcc
外面：平面 里面：30 mcc
1、调节垂直方向 2、调节水平方向
模式检测工具
1、热敏板 2、紫外灯
检测示意图
1、热敏板 2、紫外灯 3、激光束（尾镜）
未调整好的模式分布
调整好的模式分布
激光烧斑图样
扩束镜
1、凹面镜
2、凸面镜
a、进入的光束直径 b、离开的光束直径
功率计
激光器支撑
激光谐振腔构成
转折镜 放电管
co2 激光 工作原理
co2 激光工作原理
CO2激光器的工作原理是基于气体放电放出带有特定波长的
激光光束。
CO2激光器的主要组成部分包括一个带有金属电
极的放电管和能量供给系统。
CO2激光器内的放电管由一个CO2混合气体组成，主要包括CO2分子、N2分子和He原子。
当高压电流通过放电管时，
气体分子被电离，形成电子和正离子。
在电场的作用下，电子与气体分子发生碰撞，使气体分子激发到高能级。
当气体分子从高能级跃迁到低能级时，会释放出一定的能量，这部分能量被传递给CO2分子。
CO2分子在受到能量激发后，会发生自
发辐射跃迁，产生同轴分布的中红外光。
这种中红外光具有波长约为10.6微米，相对较长的波长。
放电产生的辐射能量随后被反射镜聚焦形成束流，并通过光学系统进行调整和合束，最终形成一个高功率、高能量的CO2
激光束。
该激光束可以在空气中传播，用于切割、打孔、焊接、刻蚀等应用。
同时，CO2激光器还可以通过调整参数，实现
连续波或脉冲工作模式，以满足不同应用的需求。
第3章_二氧化碳激光器
与生物组织作用时，几乎全被生物组 织200μm内的表层吸收，稳定性较好， 医学上应用广泛。
• 在CO2激光器的放电管内充有CO2、N2、 He等混合气体，其配比和总气压可以在一 定范围内变化(一般是：CO2：N2：He＝ 1:0.5:2.5总气压为1066.58Pa)。任何分子都
由于以上跃迁具有同一上能级,而且 0001→1000跃迁的几率大得多,所以C02激光 器通常只输出10.6μm激光。若要得到 9.6um的激光振荡,则必须在谐振腔中放置波 长选择元件抑制10.6um激光振荡。
三、 CO2激光器的输出特性 (1) 放电特性
相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激 光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有 关。
第3章 二氧化碳激光器
5.2.2 二氧化碳激光器
C02激光器的主要特点是输出功率大,能量转换效率高,输出波长(10.6um) ，广泛用 于激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。
C02激光器以C02、N2和He的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在C02分子的电子 基态的两个振动-转动能级之间。N2的作用是提高激光上能级的激励效率,则有助于激光下 能级的抽空。
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．
co2激光器基本结构
CO2激光器的基本结构包括以下几个主要部分：
1. 激光介质：CO2激光器的激光介质是由碳氢化合物（通常是混合物）组成的。
这些化合物在激发态下能够产生CO2分子的激发态，从而产生激光。
2. 激发源：激发源通常是电子束或者放电电流。
电子束或电流通过激光介质，将能量传递给激光介质中的碳氢化合物，使其激发。
3. 光学腔：光学腔是CO2激光器的一个重要组成部分，它由两个反射镜组成，一个是高反射镜（HR镜），另一个是部分透射镜（OC镜）。
光学腔的作用是将激发产生的光反射回激光介质中，形成光的反馈，从而放大光的强度。
4. 冷却系统：CO2激光器在工作过程中会产生大量的热量，因此需要一个冷却系统来保持激光器的温度在合适的范围内。
冷却系统通常使用水冷或者气冷的方式。
5. 控制系统：控制系统用于控制激光器的工作参数，
如激发源的电流、激光器的频率等。
控制系统还可以监测激光器的工作状态，以确保其正常运行。
以上是CO2激光器的基本结构，不同型号的CO2激光器可能会有一些差异，但基本原理是相似的。
CO2激光器原理及应用
CO2激光器原理及应用CO2激光器（Carbon Dioxide Laser）是以二氧化碳气体作为工作介质的一种激光装置。
它以电子级别的能级跃迁作为激光产生的机制，并在可见光到远红外光波段具有宽广的波长范围。
这种激光器具有高功率、高效率、高均匀性以及较长的使用寿命等特点，因此在许多领域有着广泛的应用。
CO2激光器的核心部件是由带电电子和振动的二氧化碳气体分子构成的激活介质。
当这些分子处于基态时，受外部能级跃迁的激发，会产生跃迁到激活级的带电态。
随后，这些带电态的分子会通过碰撞与其他分子发生非辐射跃迁，回到基态，并释放出能量。
这些能量激发了二氧化碳分子中的振动模式，形成一个振动级。
当一定数量的分子处于这个激发态时，它们会发射激光光子，并逐渐形成一束可见光或红外光的激光束。
1.切割和焊接：CO2激光器能够通过选择适合的波长和功率，实现高质量的金属和非金属材料的切割和焊接。
它们被广泛应用于汽车制造、航空航天、电子设备等行业。
2.医学美容：CO2激光器在医学美容领域有着重要的应用。
它们可以用于皮肤整容、痣的去除、纹身的消除等。
CO2激光器的高功率和高单脉冲能量使得医生可以精确控制照射深度，减少周围组织的损伤。
3.激光打标：CO2激光器可以用于激光打标，将永久图案或文字标记在各种材料上。
它们在电子产品、餐具、医疗器械等行业中得到广泛应用。
4.刻蚀和雕刻：CO2激光器可以通过控制能量和路径来刻蚀任意形状和图案。
它们被广泛应用于艺术品、标识牌、木制家具等制造业。
5.科学研究：CO2激光器具有高功率和长脉冲持续时间的特点，因此在科学研究中被用于光谱学、等离子体物理学、大气科学等领域。
总的来说，CO2激光器凭借其高功率和高质量的激光束，以及广泛的波长范围，成为各个领域中重要的激光工具。
它们的应用领域在不断扩展和创新，未来将会发展出更多的应用领域。
二氧化碳气体激光器的工作原理
二氧化碳气体激光器的工作原理
二氧化碳气体激光器的工作原理可以简单概括为三个步骤：能级激发、能级跃迁和光放大。
首先，通过电子激发或其他外部能量输入，将二氧化碳气体中的分子激发到高能级。
这个过程需要提供足够的能量，以克服分子内部的束缚力，使分子中的电子跃迁到高能级。
接着，激发到高能级的二氧化碳分子会在非常短的时间内经历自发辐射的过程，即能级跃迁。
在这个过程中，激发态的电子会从高能级跃迁回到低能级，释放出能量。
最后，通过在激发态和基态之间建立的光学谐振腔，将激发态返回基态的过程中释放出的能量进行放大。
这个过程发生在由两个反射镜构成的光学谐振腔内，其中一个镜子是部分透明的，使得一部分光线可以逃逸出来，形成激光输出。
二氧化碳激光器的典型能级跃迁路径是从振动激发态到振动基态。
由于二氧化碳分子的能级结构，二氧化碳激光器通常在10.6微米的波长范围内工作。
此外，交变电场可以使CO2分子发生共振吸收，吸收的能量被转化为分子内振转和振动能，从而提高CO2分子的内能，达到激发的目的。
程控装置可以根据需要调整激发电流的频率和脉冲宽度，以控制激光输出的功率和作用时间。
二氧化碳气体激光器的工作原理涉及到能级激发、能级跃迁、光放大和共振吸收等过程，通过这些过程产生高能量、高度聚焦的激光束。
二氧化碳激光及原理
二氧化碳激光及原理二氧化碳激光，简称CO2激光，是一种常见的工业激光器。
它具有高效能、可调谐频率、稳定性高等特点，广泛应用在材料加工、医疗美容、科学研究等领域。
本文将介绍CO2激光的原理及其特点。
一、二氧化碳激光的原理CO2激光采用的是电子过渡–振动–振转能级结构的工作原理。
即先通过电子能级跃迁将气体激发成激发态，然后进一步通过振动能级跃迁和振转能级跃迁实现激光辐射。
首先，二氧化碳气体（CO2）中的氧气分子（O2）通过电子碰撞激发产生氮氧化物（NO）的激发态，然后氮氧化物（NO）进行快速非辐射跃迁，将能量传递给CO2分子，使其激发成为自由振动态。
其次，CO2分子在自由振动态的能级之间发生辐射跃迁，将红外辐射能转化为可见光能，并且在光学谐振腔的作用下，这些能级可以形成一组相干波。
最后，利用光学谐振腔的输出耦合镜，将激光从光学谐振腔中输出。
这样，就得到了二氧化碳激光。
二、二氧化碳激光的特点1. 发射频率可调谐：CO2激光的激发态和激光激发能量有很大关系，通过改变激发态和能级结构之间的跃迁条件，可以实现不同频率的激光输出。
因此，CO2激光的频率可调谐。
2. 高功率输出：CO2激光具有较高的功率输出，可以达到数千瓦甚至更高的功率。
这使得它在工业领域的材料切割、焊接等加工过程中具有广泛应用。
3. 加工效果优秀：CO2激光对许多材料具有较好的加工效果。
其激光波长为10.6微米，能够在许多材料中产生蒸发、烧蚀和熔融等不同的加工结果，使其在材料加工领域占有重要地位。
4. 光束质量高：CO2激光具有良好的光束质量，光束直径小、发散角度小、光斑质量高。
这使得其在精细加工和高精度加工领域有较好的应用前景。
5. 光电转换效率高：CO2激光的光电转换效率在短波段激光中较高。
这是因为CO2分子的振动态较长，光束的损失较小。
同时，CO2分子的激发态持续时间较长，也有利于提高光电转换效率。
三、二氧化碳激光的应用领域1. 材料加工：CO2激光在材料切割、焊接、打孔等方面具有出色的加工效果。
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设计：李波
14
激光切割的市场需求
设计：李波
德国Trumpf推出了功率高达12kW的CO2激光复合加工机和功率高达 15kW的三维CO2激光切割机，表明了激光加工装备的高功率发展趋势！
德国Trumpf 12kW-CO2激光切 割、焊接和表面处理复合加工机
德国Trumpf 的15kW-CO2 激光三维激光切割机
D Mode 1000-4000Watts
Q Mode >4000Watts
7
光束质量参数
设计：李波
8
轴快流CO2激光器的诞生
设计：李波
轴快流CO2激光器是在早期的封离式圆形玻璃管纵向激 励CO2激光器的基础上发展而来的。 1965年，Bridge和Petel将放电管壁的温度冷却到60ºC以下来提高激光器的输出功率。 Moeller, Rigder[8]以及Patel[9]等人则采用风冷和水冷的方式来 使放电管冷却。 1969年Cool等人将快速流动技术引入到了这种激光器 中，通过工作气体的高速流动来使其冷却，从而获得 了较高功率的激光输出。
88
射频功率反馈
设计：李波
89
射频功率控制
设计：李波
90
射频电源控制信号
设计：李波
RF ON
RF OFF
91
设计：李波
连续模式
脉冲模式
92
连续工作模式
设计：李波
93
连续工作模式
设计：李波
94
设计：李波
门控频率=200Hz
95
设计：李波
门控频率=5000Hz
96
设计：李波
门控频率=50000Hz
设计：李波
Trumpf轴快流CO2激光器概述
17
激光器构成
设计：李波
冷水机 控制系统 射频电源
激光发生器 操作面板
18
激光发生器构成
设计：李波
热交换器
涡轮风机
激光谐振腔
光闸
功率计
激光器支撑
19
激光谐振腔构成
设计：李波
转折镜
窗口与尾镜
放电管
20
基本工作原理
设计：李波
21
设计：李波
Trumpf CO2激光器谐振腔
设计：李波
73
Trumpf激光器功率采集
1、尾镜 3、冷却水
设计：李波
2、功率传感器 4、模拟量采集
74
设计：李波
Trumpf CO2激光器控制系统
75
控制系统结构图
设计：李波
76
Profibus连接原理图
设计：李波
77
设计：李波
1、Profibus通信电缆
2、以太网线
A、TASC3控制系统 B、BUSCH IO模块
设计：李波
68
激光器工作过程中的气压曲线
设计：李波
1、抽气 2、自动净化 3、充气 4、Beam off 5、Beam on 6、Beam off 7、关机
69
气压控制原理
设计：李波
70
设计：李波
Trumpf CO2激光器功率检测
71
功率检测方法－输出激光采样
设计：李波
72
功率检测方法－尾镜取样检测
C、射频电源控制模块
78
设计：李波
TASC3 控制系统
1、软驱
2、电源 3、射频电源控制模块
4、多功能板
5、扩展插槽 6、CP600S嵌入式系统 7、Profibus从模块 8、Profibus主模块
79
主控制器
设计：李波
CP 600-S
处理器 存储 操作系统
奔腾133M 32M Ram 8M flash Vx Works
维护
免维护
80
设计：李波
81
设计：李波
1、32路输入模块
2、32路输入模块 3、RM2-DP12模块 4、数码管状态显示 5、Profibus DP接口 6、+24V电源 7、扩展槽 8、32路输出模块 BE1-BE4：输入插槽 BA1-BA4：输出插槽
82
模块地址编码
设计：李波
83
RM2-DP12模块
高功率轴快流CO2激光器原理结构
设计：李波
1
设计：李波
轴快流CO2激光器基本原理
2
光的受激辐射
设计：李波
3
CO2激光器的受激辐射
设计：李波
4
激光工作原理：
设计：李波
激光工作物质 全 反 射 镜 半 反 射 镜
out 光放大原理
5
激光的特性
设计：李波
单色性
相干性
方向性
6
激光模式
设计：李波
TEM00 Mode <1000Watts
热交换器
56
设计：李波
1、叶轮 2、外壳 3、扩散器 A、气体入口 B、气体出口
57
设计：李波
1、扩散器
2、叶轮
58
风机结构
设计：李波
1、叶轮 2、上保护轴承 3、转子（永磁） 4、定子 5、下保护轴承 6、驱动轴 7、磁板
59
定子
设计：李波
1、水冷
2、开口
3、线圈
4、电机电缆
5、电机温度电缆
设计：李波
84
输入模块
设计：李波
85
输出模块
设计：李波
86
射频电源控制模块
设计：李波
87
射频电源控制模块
设计：李波
9、数码管状态显示 10，11、控制板 13、+5V，+\-15V电源
14、24V电源
1、A7通信接口板(RS232,Canbus) 2、A8 Profibus接口板 3、Profibus接口 4、A10安全联锁接口板 5、X8测量插头 6、扩展板
1、凹面镜
a、进入的光束直径
2、凸面镜
b、离开的光束直径
采用扩束镜延长激光加工的可用光程，在飞行光路激光加工中广泛应用。
33
光闸
设计：李波
34
设计：李波
Trumpf CO2放电结构
35
直流放电结构
设计：李波
36
36
直流放电特点
设计：李波
电极位于放电管内，放电方向与光束方向一致； 可以有多种电极结构； 起辉电压高，一般要使用触发电极； 易产生放电不稳定性，要求在阳极形成湍流； 不易调制：工频直流电源，调制频率一般最大为2kHz， 开关电源，调制频率一般最大为5kHz；
轴快流CO2激光器
9
直流激励轴快流CO2激光器
设计：李波
10
射频激励轴快流CO2激光器
射频电源
3 1
设计：李波
激光器谐振腔
匹配网络
2
2
激 光 器 中 央 控 制 系 统
7
7
8
全自动混气单元
6
4
冷水机 气体循环冷却系统
5
N2
CO2
He
Air
1 激光谐振腔 2 谐振腔镜片 3 放电电极 4 涡轮风机 5 真空泵 6 电磁阀 7 风机出气口换热器 8 风机进气口换热器
1、窗口
2、尾镜
3、转折镜
4、转折镜安装组件
26
谐振腔镜片
镜子类型 转折镜 材料 铜（镀膜） 直径 60mm 反射率
≥99.7% p-偏振方向 ≥99.9% s-偏振方向
设计：李波
曲率半径 平面
输出镜
ZnSe（镀膜） 1.65’’
40%
外面：30 mcx 里面：30 mcc 外面：平面 里面：30 mcc
设计：李波
51
设计：李波
Trumpf CO2气体循环冷却
52
免维护磁悬浮涡轮风机
设计：李波
罗茨风机
涡轮风机
磁悬浮涡轮风机
53
气体循环原理图
设计：李波
54
风机罩
设计：李波
1、涡轮风机 2、叶轮 3、风机罩 4、热交换器 5、翅片管 6、冷却水入口 7、气体入口 8、气体出口
55
设计：李波
涡轮风机
27
尾镜
GaAs（镀膜） 1.65’’
99.7%
பைடு நூலகம்
设计：李波
1、调节垂直方向 2、调节水平方向
28
模式检测工具
设计：李波
1、热敏板
2、紫外灯
29
检测示意图
设计：李波
1、热敏板
2、紫外灯
3、激光束（尾镜）
30
设计：李波
未调整好的模式分布
调整好的模式分布
31
激光烧斑图样
设计：李波
32
扩束镜
设计：李波
39
39
高功率连续放电（85mA）
设计：李波
放电管4.2
放电管4.3
40 放电管4.1
射频放电
设计：李波
41
41
多根放电管串联
设计：李波
42
两种放电结构
设计：李波
43
阻抗匹配
设计：李波
射频电源
13.56MHz
50欧姆
44
阻抗匹配器
设计：李波
45
阻抗匹配布置
设计：李波
为每台电源配置一个阻抗匹配器
22
轴快流CO2激光器常用激光谐振腔
设计：李波
尾镜
窗口
单折腔 U形多折腔
矩形多折腔
23
谐振腔结构
设计：李波
US：转折镜
RS：尾镜
AS：窗口
24
Trumpf12000谐振腔结构