CO₂激光器是气体激光器,因其效率高,光束质量好,功率范围大(几瓦至几万瓦),能连续和脉冲输出,运行费用低、输出波长10.6μm正好落在大气窗口等优点,成为气体激光器中最重要、应用最广的一种激光器,尤其大功率CO₂激光器是激光加工中应用最多的激光器。

1.CO₂激光器的特点

(1)工作物质均匀性好。气体工作物质的光学均匀性远比固体好,所以激光器容易获得衍射极限的高斯光束,方向性好。

(2)气体激光的单色性好。由于气体工作物质的谱线宽度远比固体小,因此气体激光器输出激光的单色性好。

(3)谱线范围宽。有数百种气体和蒸汽可以产生激光,已经观测到的激光谱线有万余条。诺线范围从亚毫米波到真空紫外波段,甚至X射线、Y射线波段。

(4)激光输出功率大,既能连续又能脉冲工作,并且转换效率高。气体激光器容易实现大体积均匀分布,工作物质的流动性好,因此能获得很大功率输出。电激励CO₂激光器连续输出功率已达数万瓦,电光转换效率已达25%。

(5)激励方式灵括,一种气体激光器可以用多种不同的激励方式泵浦。CO₂激光器可以用气体放电激励,热激励。化学激励、光泵激励、电子束激励等

多种方式进行泵浦,因此功率大,能量高、种类多。用途广。

2.CO₂激光器工作原理

CO₂激光器是一种混合气体激光器,以CO₂、N和He的混合气体作为工作物质。激光跃迁发生在CO₂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。He的作用是有助于激光下能级的抽空。后两者的作用都是增强激光的输出。

在CO₂分子已有的200条谱线中,最强的为这两组:激光上能级00°1一下能级10°0和激光上能级00°1→下能级020辐射的10.5和9.5m潜线。

由于CO₂分子各能级的自发辐射寿命都较长,激光上能级粒子的自发辐射寿命比下能级粒子的寿命短,因此,用纯CO₂分子产生激光输出的功率较小,必须加人各种辅助气体,才能有利于提高激光的输出功率。

与固体激光器采用光激励方式不同,气体激光器一般采用电激励方式实现粒子数反转。将CO₂分子激发到上能级00°1可采用以下方式:

(1)电子直接碰撞。具有一定能量的电子与基态(00°0能级)CO₂分子发生非弹性碰撞,使其直接激发到上能级00°1.这一过程表示为:

CO₂(00°0)+e→CO₂(00°1)+e

由于CO₂分子的00°1离基态较近。因此可以有相当多的电子对其进行激发。

(2)级联跃迁。电子与基态CO₂分子碰撞,使其跃迁到0O°n能级。基态CO₂分子与高能级CO₂分子碰撞后跃迁到激光上能级。这一过程表示为:

CO₂(00°0)+CO₂(00°n)-CO₂(00°1)+CO₂(00°n-1)

(3)共振转移。基态N2分子(γ=1)和电子碰撞后跃迁到的y=0的寿命较长的亚稳态振动能级,因而可积累较多的N₂分子。基态CO₂分子和亚稳态N₂分子发生非弹性碰撞并跃迁到激光上能级。这一过程表示为:

CO₂(00°0)+N₂(γ=1)→CO₂(00°1)+N₂(γ=0)

因为CO₂分子00°1能级与N₂分子能级γ=1十分接近。能量转移非常迅速。另外,N₂分子的γ=2~4能级与CO₂分子00°2~00°4能级也十分接近。相互间也可以辐射共振转移,处于00°2~00°4能级的CO₂分子与基态CO₂分子碰撞可以将其激励到00°1能级。

(4)复合激发。在气体放电过程中,能量大于2.8eV的电子碰撞CO₂分子,能使其分解为CO和O,同时,分解了的CO和O也可以复合,所释放的复合能可以使CO₂分子由00°0能级跃迁到00°1能级,但这种过程的作用比前三种过程要小得多。

CO₂分子激光跃迁下能级的抽空,主要依靠分子间的碰撞。在10°0和020能级的CO₂分子与基态CO₂分子碰撞后跃迁到01¹0能级,这一过程的概率很高。而01¹0能级的CO₂分子与基态CO₂分子碰撞后返回基态的概率很小,这样就使01¹0能级像一个瓶颈,下能级的抽空受到阻塞。为此,在放电管中充一定比例的He气,使基态He原子与01¹0能级的CO₂分子碰撞,大大缩短该能级的寿命,也缩短了激光跃迁下能级的寿命。He气的热导率较高,可加速热量向管壁的传递,降低放电空间气体的温度,使激光跃迁下能级的粒子数密度减小。有利于激光的形成。

3.CO₂激光器的分类

(1)封离型CO₂激光器。这种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,热导率低。由于放电过程中,部分CO₂分子分解为CO和O,需要补充新鲜气体以防止CO₂含量减少导致的激光输出下降,因此,这种激光器必须加入催化剂使CO和O重新结合为CO₂,通常加入少量H2O和H2作为催化剂。封离型CO₂激光器的优点是结构简单,维护方便,造价和运行费用较低,寿命已超过数千小时至上万小时,激光器的输出功率为50~70W.CO₂激光器可应用于需要数百瓦功率的激光加工中。

(2)纵向漫流CO₂激光器。通过真空泵使工作气体以0.1~1.0m/s的流速从放电管的一端流入,从另一端抽走,这样可以排除分解物,补充新鲜气体,保持输出功率稳定,气流、电流和光轴方向相同。由于电流密度增加时激光上能级激发速率增加。但由此造成的气体温度的上升又会增加下能级的粒子数,所以放电电流密度和气体压强均有一个使激光输出最大的最佳值,这一最佳值大约与放电管直径成反比。在最佳放电条件下,输出功率与封离型CO₂激光器大致相同。这种激光器有很好的光束质量,模式稳定。但由于换气率低,散热方式效率低,高功率器件尺寸大,正在被纵向快流CO₂激光器所替代。

(3)纵向快流CO₂激光器。这种激光器是将放电管气体流动速度提高到每秒几十至几百米,以便气流冷却放电区的工作气体和及时带走不稳定因素。但由于气流扰动等因素的影响,光束质量不如纵向慢流CO₂激光器,但优于横向激励CO₂激光器。这种激光器的输出功率随放电电流密度线性增加。不存在放电电流密度的最佳值,输出功率可达1kW以上,电光转换效率在20%以上。光束质量以基模为主。目前1~3kW纵向快流CO₂激光器已广泛应用于激光焊接、激光切割等加工领域。

(4)横向激励高气压CO₂激光器。这种激光器的放电方向与激光光轴互相垂直,一般在100kPa气压下运行,又称为TEAP(transverselyexcitedatmosphericpressure)CO₂激光器。这种激光器是脉冲激光器,其输出脉冲峰值功率可达1012W,每个脉冲能量为数千焦耳,是气体激光器在高功率和大能量方面与固体激光器竞争最有希望的器件。采用横向激励,电极面积大,平行于放电管轴,缩短了极间距离,使放电激励电压大大降低,也实现了大体积激励,提高了激光输出的峰值功率或能量。

(5)横向流动CO₂激光器。这种激光器的气体流动方向与激光光轴相互垂直,由于气体流动路径短,通道截面大,较低的流速就可以达到纵向快流同样的冷却效果。在50m/s左右的气体流速下,就有很高的气体流量。横向流动CO₂激光器通常采用电场与光轴垂直的横向激励方式,输出功率可达每米数千瓦,商用器件的最大输出功率超过20kW,其缺点是光束质量较差。这种激光器已广泛应用于激光表面淬火、激光表面熔覆、激光表面非晶化等。

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