第3章二氧化碳激光器

2020/6/19
图2-3 横流CO2激光器
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• 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
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CO2激光器结构图
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• CO2激光器是光、机、电一体化结 构，其中哪一方面出现异常都会影响 其余方面，所以故障现象往往是错综 复杂的综合故障的反应。从以下三个 方面对CO2激光器的故障进行研讨。
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• 无激光输出
•
这是CO2激光器在使用中出现频率最高的故障
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• CO2激光器是气体分子激光器，工作 物质是CO2气体，辅助气体有氮气， 氦气，氙气和氢气等。由于这种激光 器能量转换效率高达25%。故常做成 高功率输出的激光器。CO2激光器的 波长为10.6μm，是不可见的红外光， 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。
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• 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 有三种不同的运动形式：一是分子里的电 子运动，决定着电子能态；二是分子里的 原子振动，即原子围绕其平衡位置不停地 作周期性振动，这种运动决定了分子的振 动能态；三是分子的转动，决定着分子的 转动能态。
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图2-2 准封离型CO2激光器示意图
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• 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．
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• CO2激关器就是利用CO2分子的振动和转动能级间 的跃迁来产生激光的，激光波长为10.6μm。利用 气体放电泵浦方法向CO2气体分子注入能量，使放 电管中CO2分子达到反转分布状态：将直流电压的 两输出端分别接到放电管的两电极上，当不加电压 或电压很低时，两电极间的气体完全绝缘，内阻为 无穷大，没有电流流过；随着电压的升高，气体中 开始有带电粒子移动，气体的内阻开始减小，当达 到某一电压值时，内阻急剧减小，电流迅速增加、 气体被击穿、放电开始，这一电压值叫做着火电压 ；放电管中的气体被击穿放电后，电流增长、气体 中载流子增加、激光放电管的内阻下降、又进一步 引起电流的增加，
在以上三种激发途径中,共振转移的几率最大, 作用也最为显著。
C02分子激光跃迁下能级的抽空主要依靠气 体分子间的碰撞。
图(5-13) 与产生激光有关的CO2分子能级图
一旦实现了(0001)与 (1000)、 (0200) 之间的粒子数反转，即可通过受激辐射，产 生: 0001→1000跃迁产生10.6um波长的激 光光0001→0200跃迁产生9.6um波长的激 光。
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• CO2激光器效率高，不造成工作介质 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。按气 体的工作形式可分封闭式及循环式， 按激励方式分电激励，化学激励，热 激励，光激励与核激励等。在医疗中 使用的CO2激光器几乎百分之百是电 激励。
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CO2分子激光跃迁能级图
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。
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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
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二、 CO2激光器的激发过程 CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图(5-13)所示。
C02激光器中,通过以下三个过程将C02分 子激发到0001能级
1.直接电子碰撞 电子与基态(0000)C02分子碰撞使其激发 到激光上能级。这一过程可表示为
C02(0000)+e →C02(0001)+e
2.级联跃迁 电子与基态CO2分子碰撞使其跃迁到000n能 级,基态C02分子与高能级C02分子碰撞后跃迁 到激光上能级,此过程可表示为
图(5-13) 与产生激光有关的CO2分子能级图
C02(0000)+C02(000n)→C02(0001)+C02(0 00n-1)
3.共振转移 由于N2分子(v=0)能级和电子碰撞后跃迁到v=1的振动能级。这是一个寿命较长的亚 稳态能级，因而可积累较多的N2分子，基态CO2分子与亚稳态N2分子发生非弹性碰撞并 跃迁到激光上能级。这一过程可表示为
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• 最后检查激光管，如激光管放电正常，但 无激光输出，可能是激光管两端腔片损坏 或输出窗被遮盖；激光管有不正常的放电 ，无激光输出，可能是激光管中阳极或阴 极损坏，或管中的工作气体被杂质气体所 污染；激光管无放电，也无激光输出，则 可能是阴极损坏或老化而不能发射电子， 阴极或阳极引线封结处玻璃炸裂或激光管 两端腔片粘结处漏气，空气进入激光管， 从而激光管无法放电。
•
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．
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• 图2-1 准封离CO2激光器结构示意图
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• 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．
压表测量直流高压电路输出的电压数值。
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• 根据调查统计，直流高压供电电路故障导致 无激光输出的故障占该类故障总数的60%以 上。其次检查光路仔细观察导光臂固定座的 中心轴与CO2激光管的中心轴是否重合(应重 合)；CO2激光管的固定卡环是否松脱；激光 管输出侧的平凸镜位置是否正常；输出窗是 否清洁。
哈尔滨工业大学（威海）材料科学与工程学院
第3章 二氧化碳激光器
王春雨 材料学院A202室 0631-5687125 E-mail: wcyadam126 (WANG Chunyu)
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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。
• 电源锁开关的保护，为防止非操作和维修 人员对机器通电。故障往往由锁开关本身 损坏引起，断电情况不用万用表测量即可 判断其通、断是否正常。
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• 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．
包括外观结构观察、光路各环节的正确位置、
计算激光管的累计工作时间(激光管老化后效率 下降，输出变小)。
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• .保护电路故障
•
一般有四种保护电路，哪一种发生故障，激光器都停
止工作。
•
过流保护电路，防止激光管因电路故障引起辉光放电
电流过大而使电极损坏或电极线密封处炸裂(一旦炸裂，后
果严重)，工程技术人员对该保护电路应采取定期的预防性
维修，被动性
断水保护电路，CO2激光器工作时会产生大量热量，
循环冷却水必须对激光管降温，水路不通时，激光管的直
流高压被切断。加压泵工作不正常和水位开关接触不良是
此类故障的主要原因。断水保护电路的检查是经常性的工
作，不容忽视。
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• 安全保护电路，主要由机柜上的门开关组 成，为的是保证操作者和患者的安全。因 机内有高达24kV的高压。故障原因大多是 门开关处接触不良或门装的位置不正。
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。
实验指出：随着管径增大，最佳放电电流也增大。 例如：管径为 20～30mm 时，最佳放电电流为30～50mA
管径为50～90mm 时，最佳放电电流为120～150mA
(2) 温度效应
CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40％，这就 是说，将有60％以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气 体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发， 这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展 宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2 分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。
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• 激光输出弱(强度大大低于正常值)
•
此类故障的原因甚至比无激光输出故障更
难分析和检查，仍需从直流高供电电路、激光
光路、激光管本身三个方面进行，而且在整个
过程中更强调指标的定量。检查电源电压的数