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二氧化碳激光器及二氧化碳激光電源概述

二氧化碳激光器是以CO2氣體為工作物質的氣體激光器,其主要成分為二氧化碳、氦氣、氮氣(CO2:N2:He = 1:7:20)。二氧化碳激光器在組成結構上,由放電管、諧振腔、電極組成,在直流高壓電的泵補下,放電管內氣體發生輝光放電,輸出波長為10.6μm附近的中紅外波段的激光。CO2激光器相比其他類型的激光器在工業加工領域應用更廣泛,特別是在激光焊接、激光切割等方面應用尤為突出。其主要優點有:
(1)在所有氣體激光器中CO2激光器的能量轉換效率最高,橫向流動式的電激勵CO2激光器輸出功率能達到幾十萬瓦。
(2)CO2激光器的輸出波段為10.6μm,該波段的激光是在大氣窗口內,在空氣中傳輸時損耗極小,受環境因素的影響較小,可全天候工作,和其他激光器輸出激光的性能相比,CO2激光器更符合工業應用要求。
(3)在輸出譜線寬度上與其他氣體激光器輸出相比,CO2激光器的輸出譜線寬度較寬。
T系列CO2激光電源
T系列CO2激光電源
CO2激光電源,從本質上講是一種直流高壓開關電源。由于CO2激光器工作特點決定了其泵補電源的特點,主要表現在如下幾個方面:
(1)激光器放電管中混合氣體發生輝光放電條件非常苛刻,通常需要在放電管兩端提供20~50KV的高壓(不同長度,不同內徑的放電管發生起輝電壓不同)才能起輝,一般的線性穩壓電源或者開關電源是無法提供這種電壓。
(2)激光管剛開始放電時起輝電壓較大,隨著逐步穩定工作后,氣腔兩端電壓逐漸下降,輝光放電電流逐漸增大,需要激光電源具備自適應輸出能力。

隨著激光加工制造業的日趨成熟,CO2激光器逐漸被廣泛的用于激光焊接、激光切割、激光打孔等傳統的手工或其他機械加工領域,同時對CO2激光器及其電源提出了更高的要求。主要表現在如下幾個方面:

(1)工業應用的激光切割系統中往往需要二氧化碳激光器具有穩定的功率輸出,激光輸出的穩定性受眾多因素影響(如外界環境溫度,激光器本身的個體差異等),起決定作用的仍是激光器泵補源,泵補源不穩定直接導致輸出光功率的波動。
(2)在激光加工方面,特別是激光切割、激光打孔等領域,用激光切割不同的材料時,由于材料本身對10.6μm激光吸收特性存在差異,當切割不同的材料時,需要激光器輸出功率大小可調,也即要求激光電源輸出功率可實現穩定連續調節。
(3)在特定的應用場合需要多個CO2激光器并行工作,如在激光繡花切割機系統中,需要眾多激光器同時按同樣步伐工作,或者在激光能量聚焦系統中需要將眾多激光器輸出聚焦在一起,單個CO2激光器的能量轉化效率雖然能達到30%~40%[4],但是如果單個激光電源的效率低下,大量的激光器一起工作時就導致了大量的能力浪費,因此,單個激光電源的效率對于激光切割系統的整體能源利用率有著關鍵性的影響。
工業應用背景下的CO2激光器對其泵補源提出了更高的性能要求,主要表現在:
高穩定性,要求激光器能產生穩定的激光輸出;
高可靠性,要求激光電源在各種復雜環境下使用時,性能保持可靠;
高效性,要求激光電源的能量轉化效率高;
易控性,要求激光電源在控制激光功率輸出時具有良好的可控性。

 
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