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二氧化碳激光器及二氧化碳激光电源概述

二氧化碳激光器是以CO2气体为工作物质的气体激光器,其主要成分为二氧化碳、氦气、氮气(CO2:N2:He = 1:7:20)。二氧化碳激光器在组成结构上,由放电管、谐振腔、电极组成,在直流高压电的泵补下,放电管内气体发生辉光放电,输出波长为10.6μm附近的中红外波段的激光。CO2激光器相比其他类型的激光器在工业加工领域应用更广泛,特别是在激光焊接、激光切割等方面应用尤为突出。其主要优点有:
(1)在所有气体激光器中CO2激光器的能量转换效率最高,横向流动式的电激励CO2激光器输出功率能达到几十万瓦。
(2)CO2激光器的输出波段为10.6μm,该波段的激光是在大气窗口内,在空气中传输时损耗极小,受环境因素的影响较小,可全天候工作,和其他激光器输出激光的性能相比,CO2激光器更符合工业应用要求。
(3)在输出谱线宽度上与其他气体激光器输出相比,CO2激光器的输出谱线宽度较宽。
T系列CO2激光电源
T系列CO2激光电源
CO2激光电源,从本质上讲是一种直流高压开关电源。由于CO2激光器工作特点决定了其泵补电源的特点,主要表现在如下几个方面:
(1)激光器放电管中混合气体发生辉光放电条件非常苛刻,通常需要在放电管两端提供20~50KV的高压(不同长度,不同内径的放电管发生起辉电压不同)才能起辉,一般的线性稳压电源或者开关电源是无法提供这种电压。
(2)激光管刚开始放电时起辉电压较大,随着逐步稳定工作后,气腔两端电压逐渐下降,辉光放电电流逐渐增大,需要激光电源具备自适应输出能力。

随着激光加工制造业的日趋成熟,CO2激光器逐渐被广泛的用于激光焊接、激光切割、激光打孔等传统的手工或其他机械加工领域,同时对CO2激光器及其电源提出了更高的要求。主要表现在如下几个方面:

(1)工业应用的激光切割系统中往往需要二氧化碳激光器具有稳定的功率输出,激光输出的稳定性受众多因素影响(如外界环境温度,激光器本身的个体差异等),起决定作用的仍是激光器泵补源,泵补源不稳定直接导致输出光功率的波动。
(2)在激光加工方面,特别是激光切割、激光打孔等领域,用激光切割不同的材料时,由于材料本身对10.6μm激光吸收特性存在差异,当切割不同的材料时,需要激光器输出功率大小可调,也即要求激光电源输出功率可实现稳定连续调节。
(3)在特定的应用场合需要多个CO2激光器并行工作,如在激光绣花切割机系统中,需要众多激光器同时按同样步伐工作,或者在激光能量聚焦系统中需要将众多激光器输出聚焦在一起,单个CO2激光器的能量转化效率虽然能达到30%~40%[4],但是如果单个激光电源的效率低下,大量的激光器一起工作时就导致了大量的能力浪费,因此,单个激光电源的效率对于激光切割系统的整体能源利用率有着关键性的影响。
工业应用背景下的CO2激光器对其泵补源提出了更高的性能要求,主要表现在:
高稳定性,要求激光器能产生稳定的激光输出;
高可靠性,要求激光电源在各种复杂环境下使用时,性能保持可靠;
高效性,要求激光电源的能量转化效率高;
易控性,要求激光电源在控制激光功率输出时具有良好的可控性。

 
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