CO2激光器的工作原理及类型介绍

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：气体分子在振荡器中分布均匀性好，故CO2激光器的光束质量好，易获得接近衍射极限的高斯光束。通常将输出功率为300W～1kW的称为大功率CO2激光器，输出功率1kW以上的称为高功率CO2激光器。CO2激光器按其工作原理可分为多种类型，目前主要的类型有三种：快速轴流型、横流型和扩散冷却型。

激光器是激光焊焊接设备中的核心器件，它产生和输出用于焊接的激光束。在激光焊接中使用的激光器类型目前主要是CO₂、YAG、光纤和半导体等激光器，其中前一个为气体激光器，后三个为固体激光器。

1.CO₂激光器

CO₂激光器以气体分子为激活介质，其激发产生输出的激光波长为10.6μm。实际CO₂激光器的激光工作气体为CO₂分子与N₂分子和He原子的混合气体，其中N₂分子的加入是为了提高CO₂的激发速率，He原子有良好的导热性而使激活介质中的热量及时得到排除和增加粒子数的反转。气体分子在振荡器中分布均匀性好，故CO₂激光器的光束质量好，易获得接近衍射极限的高斯光束。CO₂激光器的可输出激光功率范围大，转换效率较高（一般达10%～15%），激光单色性好，可连续输出和脉冲输出，运行成本低。通常将输出功率为300W～1kW的称为大功率CO₂激光器，输出功率1kW以上的称为高功率CO₂激光器。

CO₂激光器按其工作原理可分为多种类型，目前主要的类型有三种：快速轴流型、横流型和扩散冷却型。快速轴流型的激光工作气体沿激光谐振腔的轴线快速流动。横流型的激光工作气体则垂直于谐振腔轴方向流动。扩散冷却型则采用大面积的板式放电电极和很小的板式电极间距，达到良好的冷却效果和极小的气体消耗。这三种类型CO₂激光器的性能比较见表4-1-2。

表4-1-2 三种类型CO₂激光器的性能比较

图4-1-2a、b所示分别为德国Trumpf公司生产的15kW快速轴流型CO₂激光器、德国Rofin公司生产的3.5kW扩散冷却型CO₂激光器的产品。

图4-1-2 CO₂激光器产品外形

a）15kW快速轴流型CO₂激光器 b）3.5kW扩散冷却型CO₂激光器

2.Nd：YAG固体激光器

Nd：YAG激光器采用钕离子（Nd³+）作为激活介质并将其掺杂在钇铝石榴石（Y₃Al₅O₁₂）晶体中，以光泵浦为激励方式，输出激光的波长为1.06μm。Nd：YAG激光器可以工作在连续、脉冲和超短脉冲方式。与CO₂激光相比，YAG激光因波长短而可通过光纤传输，使导光简单，易实现加工柔性化和多工位加工。被焊接材料对1.06μm波长的激光的吸收率较高，在同样的焊接深度和焊接速度情况下，YAG激光需要的激光功率明显低于CO₂激光。一般数百瓦的YAG激光就可进行焊接加工。另外，YAG激光器结构相对紧凑，占地面积较小。

常规的Nd：YAG激光器采用棒状工作晶体和灯泵浦方式，其电光转换效率只有3%左右。近年来开发的激光器采用了二极管激光泵浦技术，使Nd：YAG激光器的电光转换效率大为提高，达到了10%或以上^[3，7]。由于晶体棒的散热能力和不可避免的缺陷，激光器的激光功率输出和光束质量受到了限制。目前市场上棒状晶体的YAG激光器的最大激光输出功率可达4.4kW，典型光束质量（光束参数积，BPP）为12mm·mrad或25mm·mrad。

德国Trumpf公司生产的3.3kW灯泵浦Nd：YAG激光器产品外形如图4-1-3所示。

3.盘片式YAG激光器

盘片式YAG激光器是另外一种新近开发的采用YAG晶体的固体激光器。盘片式YAG激光器克服了棒状YAG晶体因散热不佳导致的热透镜问题，使输出功率、光束质量和转换效率得到了显著提高。盘片式YAG激光器采用了掺杂镱（Yb）离子的YAG晶片为工作物质，晶片的厚度只有不到1mm，输出的激光波长为1030nm。它以二极管激光为泵浦源并通过抛物面反射镜多次从单侧面辐射激励晶片，而晶片的另外一面则与一冷却块表面接触以获得优良的冷却效果。其总体电光转换效率现可达20%以上，光束质量（BPP）为2～12mm·mrad，目前德国Trumpf公司生产的盘片式激光器最大连续波激光输出功率已达16kW。德国Trumpf公司生产的4kW盘片式YAG激光器产品外形如图4-1-4所示。

图4-1-3 3.3kW灯泵浦Nd：YAG激光器产品外形

图4-1-4 德国Trumpf公司4kW盘片式YAG激光器产品外形

4.光纤激光器

以光纤为工作介质的光纤激光器具有光束质量好而稳定、低泵浦下容易实现连续运转、可制成全光纤系统、转换效率高、结构简单、体积小巧、长时间免维护等众多优点，是激光技术发展史上的革命性产品，在光纤通信、军事、激光加工、激光医疗等领域得到了广泛应用。目前成熟应用的光纤激光类型是稀土掺杂光纤激光器。随着高功率光纤激光技术的突破，光纤激光器在激光焊中得到了越来越多的应用，正在许多场合中将逐渐替代传统的CO2激光器和Nd：YAG激光器。

用于焊接的高功率光纤激光器采用掺镱（Yb³⁺）双包层光纤，光纤由光纤芯、内包层、外包层和保护层4层组成。纤芯即为掺稀土元素镱的SiO₂纤维，构成激光振荡的通道；纤芯外侧的内包层为折射率较小的纯SiO₂制成，是泵浦光的通道；再往外为第三层的外包层，由折射率更小的软塑料构成；最外层则为用硬塑料制成的保护层。在光纤两端固定安装反射镜构成谐振腔，泵浦源则可采用二极管激光或其他固体激光。

图4-1-5 3kW的光纤激光器外形

光纤激光器可分为单模和多模（为低阶模），可以脉冲方式和连续方式输出，激光波长在1.07μm左右。单模连续光纤激光器的最大输出功率已达1.5kW，电光转换效率25%，光束模式为基模，光束质量（光束传播因子K）为＞0.9，近似高斯光束。多模连续光纤激光器的最大输出功率可达50kW，电光转换效率达30%，光束质量（BPP）为2～12mm·mrad。图4-1-5所示为美国IPG公司生产的最大输出激光功率为3kW的光纤激光器外形，激光器的几何尺寸为86cm×120cm×81cm。

5.半导体激光器

半导体激光器早已在通信、计算机和电子行业中得到广泛应用。近年来随着高功率半导体激光器的开发成功，它正被逐渐应用到材料加工中。半导体激光具有尺寸很小、电光转换效率高（30%～40%）、发散角大、非相干光束等特点。

半导体激光器的工作原理是，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等半导体材料为工作物质，采用电流注入方式进行泵浦，利用半导体晶体中的自然解理面作为反射镜而构成谐振腔。半导体激光器的工作物质半导体材料具有能带结构，其激光的产生是基于在电流激励下半导体材料内导带中的电子和价带中的空穴的复合，即复合辐射。半导体激光的波长分为808nm、940nm和980nm。一个单管半导体激光二极管（大小为500μm×115μm×1～2mm）的激光输出功率已超过瓦级；将若干个激光二极管单元并排组成一个激光条，激光输出功率已可达10～100W；将一定数量的钎焊在铜冷却块上的激光条堆叠起来就构成了一个“堆栈”，通过空间填充、偏振耦合和波长耦合等方法将数个“堆栈”输出的光束组合起来，最后可实现数千瓦的激光功率输出。目前市场上作为标准产品提供高功率半导体激光的主要有德国Rofin公司和Laserline公司，其中，德国Laserline公司的半导体激光最大激光输出功率目前达10kW。图4-1-6所示为德国Ro-fin公司的2.8kW半导体激光头（555mm×260mm×225mm，含激光二极管“堆栈”）。

图4-1-6 功率为2.8kW半导体激光头外形

CO2激光器的工作原理及类型介绍

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