CO2 与Fiber laser 的区别 (ROfin)

λ [μm]

How does the material being processed influence the laser choice?

The wavelength of the chosen system directly influences a number of key parameters for the application. When using an optical system with identical imaging properties and same focal lengths, the spot intensity clearly differs. With a wavelength that differs by a factor 10, the fiber laser will generate a smaller spot on the work piece. This applies for example, when using typical focal lengths of 5“ for cutting and up to 300 mm for classic welding.

The wavelength also has a significant influence on the absorption of the laser radiation by the work piece. Where the cutting tasks involve wood, plastics – possibly fiber-reinforced – glass or textiles all the way to paper, the CO2 laser is needed with its far infra-red radiation. There is almost no absorption for the wavelength of the fiber laser in the mentioned material.

It is with metallic materials that the better absorption of short-wave radiation is seen. The chart shows the absorption of various materials of perpendicular radiation against wavelength. Iron and steel materials can be processed successfully with a Slab laser, however the fiber lasers can often achieve good results with lower output power. Non-ferrous metals that are not shown here as well as precious metals can be processed more successfully using a fiber laser. Generally the same applies to aluminium materials that are used in many alloys, these basically absorb better at short wavelengths. Copper materials should only be worked with a fiber laser.Inwiefern ist die Wahl des Lasers von dem zu bearbei-tenden Material abh?ngig?

Die Wellenl?nge des gew?hlten Systems beeinflusst direkt mehrere entscheidende Parameter für die Applikation. Unter Nutzung optischer Systeme mit identischen Abbildungseigenschaften unterscheiden sich die Fokusdurchmesser und damit die Inten-sit?ten deutlich, da in dieser Betrachtung die um den Faktor 10 unterschiedliche Wellenl?nge für die Faserlaser einen kleineren Spot am Werkstück erzeugt. Dies gilt, wenn man von typischen Fokussierbrennweiten im Bereich von 5“ beim Schneiden und bis zu 300 mm beim klassischen Schwei?en ausgeht.

Die Wellenl?nge hat einen wesentlichen Einfluss auf die Absorp-tion der Laserstrahlung durch das Werkstück. Handelt es sich um Schneidaufgaben bei Holz, Kunststoffen – ggf. faserverst?rkt – Glas oder Textilien bis hin zu Papier, ist der CO2-Laser mit seiner langwelligen Infrarotstrahlung notwendig. Die Wellenl?nge des Faserlasers wird praktisch nicht absorbiert.

Bei metallischen Werkstoffen erkennt man wiederum eine bessere Absorption der kurzwelligen Strahlung. Die Abbildung zeigt die Absorption senkrecht einfallender Strahlung verschiedener Materialien in Abh?ngigkeit von der Wellenl?nge. Eisen- und Stahlwerkstoffe lassen sich auch mit einem Slab-Laser gut bearbeiten. Mit einem Faserlaser ist h?ufig mit weniger Leis-tung bereits ein gutes Ergebnis zu erzielen. Die in der Grafik nicht dargestellten Buntmetalle als auch Edelmetalle lassen sich mit dem Faserlaser besser applizieren. Gleiches gilt generell für den Werkstoff Aluminium, der in vielen Legierungen genutzt wird, aber bei kürzeren Wellenl?ngen grunds?tzlich besser absorbiert. Der Werkstoff Kupfer ist ausschlie?lich mit einem Faserlaser zu bearbeiten

Does the material thickness in the cutting process

affect the laser choice?

Using nitrogen as an assist gas (fusion cuts) for fiber laser cut-

ting on thin sheets of < 3 mm results in higher speeds, someti-

mes using a narrower focus. A fiber laser with 1μm wavelength

is the best choice, provided that the machine is able to achieve

these higher cutting speeds. With thicker material, the expulsion

of melt is impeded and a larger spot size is required, therefore

in this case CO 2 lasers reach higher processing

speeds.

Hence choice of fiber or CO 2 can depend on the

thickness of the material to be processed.For material thicknesses around 3 mm and above,

the benefit of coupling 1μm radiation lessens due to the angle of the cutting front (Fresnel absorption);

therefore from a speed perspective the results are

practically identical. This brings other parameters such as cost to the foreground. Additionally the

cutting edge roughness increases which results in

reduced quality.

When flame cutting with oxygen as cutting gas, there are no de-

cisive advantages for either technology, because the cutting speed

that can be obtained is essentially determined by the combustion

process of the oxygen.Wirkt sich die Materialst?rke bei Schneidapplikatio-nen auf die Laserwahl aus?Beim Laserschneiden mit Stickstoff als Schneidgas (Schmelzschnit-te) ergeben sich für dünne Bleche von < 3 mm teilweise unter Anwendung kleiner Foki gr??ere Geschwindigkeiten. Der Faser-laser mit einer Wellenl?nge von 1μm ist hier zukünftig das Mittel der Wahl, sofern die Maschine diese h?heren Geschwindigkeiten umsetzen kann. Bei dickeren Blechen wird der Schmelzeaustrieb behindert, weshalb ein etwas gr??erer Spot ange-strebt werden muss. Hier erreichen deshalb die CO 2-Laser h?here Prozessgeschwindigkeiten. Je nach Materialst?rke eignet sich entweder der

Faser- oder der CO 2-Laser besser für die auszufüh-

rende Schneidapplikation.Sp?testens ab einer Materialst?rke von ca. 3 mm wirkt sich der Winkel der Schneidfront nachtei-lig für die Einkopplung der Strahlung mit einer Wellenl?nge von 1μm aus (Fresnel-Absorption). Die beiden Technologien erreichen dadurch prak-tisch identische Prozessgeschwindigkeiten, sodass die Kosten in den Vordergrund treten. Zus?tzlich erh?ht sich die Rauheit der Schneidkante, was die Qualit?t des Schneidergebnisses reduziert.Beim Brennschneiden mit Sauerstoff als Schneidgas ergeben sich für keine der beiden Technologien entscheidende Vorteile, denn

der Verbrennungsprozess des Sauerstoffs bestimmt im Wesentli-

chen die erreichbare Schneidgeschwindigkeit.Cutting edge quality at 3 mm stainless steel DC FL

1μm - 1.2 mm - 1500 W - 9 m/min10μm - 1.2 mm - 1750 W - 6 m/min Welding with fiber laser Welding with CO2 laser Welding comparison

Is there a difference in the welding performance of the two technologies?

When welding, the laser beam generates melt, but it is not expelled by gas pressure like in cutting. The general themes of the absorp-tion, polarization and angle of incidence still apply, however the angle does not occur at a cutting front, but on the flanks of the key hole.

Hence it is quickly understood that with a welding depth of only a few millimetres, the fiber laser can typically achieve higher speeds, but quality must also be considered to be able to differentiate bet-ween the two systems.

Because of its better focusing ability at equal beam quality, the fiber laser can achieve higher intensities through narrower focuses; how-ever this does not necessarily mean that the welding quality is better. Dependency on seam geometry, seam preparation, nature of im-pact and the material, can frequently lead to rougher seam surfaces and increased spattering/splashing. Unfortunately, no hard and fast rule can be derived as to when spatters will occur, but basically it occurs more often and with greater intensity with 1μm radiation. Both technologies share one essence: The energy per unit length, i.e., the ratio of output power to configured feed is proportional to the cross-sectional area of the welding seam. To enable particular transmission of forces or torques, a cross-sectional area is typically predefined. Wie unterscheidet sich die Schwei?eignung der bei-den Technologien?

Beim Schwei?en erzeugt der Laserstrahl eine Schmelze, welche jedoch nicht, wie beim Schneiden, durch Gasdruck ausgetrieben wird. Die allgemeinen Themen der Absorption eines Materials, der Polarisation und des Einfallswinkel gelten identisch. Der Winkel bildet sich nur nicht an einer Schneidfront aus, sondern an den Flanken der Dampfkapillare.

Damit wird schnell verst?ndlich, dass bei Einschwei?tiefen von wenigen Millimetern der Faserlaser typischerweise h?here Geschwindigkeiten realisiert. Auch hier muss die Qualit?tsfrage gestellt werden, um zu einer besseren Unterscheidung der beiden Systeme zu kommen.

Durch die bessere Fokussierbarkeit bei gleicher Strahlqualit?t, kann es bei Faserlasern durch kleinere Foki, zu h?heren Intensit?ten kommen. Dadurch wird nicht zwangsl?ufig die Schwei?qualit?t verbessert, sondern, immer abh?ngig von Nahtgeometrie und -vorbereitung, Art des Sto?es und dem Material, kommt es oft zu einer unruhigeren Oberraupe und zu vermehrter Spritzerbil-dung. Leider l?sst sich keine feste Regel ableiten, wann und wie es zur Spritzerbildung kommt. Es l?sst sich nur feststellen, dass Spritzer nicht immer, aber prinzipiell h?ufiger und st?rker bei 1μm Strahlung auftreten.

Beiden Technologien liegt eine wesentliche Regel zu Grunde: Die Streckenenergie, also das Verh?ltnis von Leistung zu eingestelltem Vorschub, ist proportional zu der Querschnittsfl?che der Schwei?-naht. Um eine bestimmte übertragung von Kr?ften oder Dreh- momenten zu erm?glichen, wird typischerweise eine Querschnittsfl?che vorgegeben.

Absorption Processing speeds

Beam quality

In parallel, the cycle time of a future installation defines the welding speed. A minimum output is then always assigned to the combination. If the speed is increased at equal output, the cross section must become smaller or the speed must decrease if the cross section is increased. The only alternative is increasing the output power. Because of the better absorption, fiber lasers produce better results for many welding tasks at a particular welding depth with lower output than CO2 lasers. The adjustment of the seam geometry may be achieved by applying relevant diameters of the process fibers and/or double spot optics. Spiral mirrors must be used in the case of CO2 Slab lasers in order to adjust the beam quality of a welding task and to generate, e.g., a donut mode. Comparisons of both technologies often show an advantage of the fiber laser, but simply through the insufficiently researched splashing, the advantage may quickly evaporate.

When used in a customer project, there was an advantage for the CO2laser comparing the re-solidified spatter on the workpiece: smaller particles with a factor of 2 and bigger particles with a factor of 3,5 less for CO2laser vs. fiber laser. The requirement for the surface quality prevented using a fiber laser.

From the application point of view, both technologies have their justification, because laser applications with greater welding depths from ~ 8 mm can be more easily realized with the CO2 laser, unless higher power levels for the fiber laser is chosen - The latter always at the risk of splashing and a (very) rough surface of the welding seam.Parallel gibt die Taktzeit einer zukünftigen Installation die Schwei?-geschwindigkeit vor. Der Kombination ist dann immer eine Mindestleistung zugewiesen. Erh?ht man die Geschwindigkeit bei gleicher Leistung muss der Querschnitt kleiner werden, oder entsprechend die Geschwindigkeit sinken, wenn der Querschnitt erh?ht wird. Alternativ dazu steht nur die Erh?hung der Leistung. Faserlaser erzielen aufgrund der besseren Absorption bei vielen Schwei?aufgaben eine bestimmte Einschwei?tiefe mit geringerer Leistung als CO2-Laser. Die Anpassung der Nahtgeometrie kann durch Einsatz entsprechender Durchmesser der Prozessfaser und/ oder Doppelspot-Optiken erfolgen. Beim CO2-Slab Laser ver-wendet man Spiralspiegel um die Strahlqualit?t einer Schwei?-aufgabe anzupassen, und z.B. einen Donut-Mode zu erzeugen. Vergleiche der beiden Technologien führen oft zu einem Vorteil des Faserlasers, aber gerade die nicht ausreichend erforschte Bildung von Spritzern kann diesen Vorteil schnell überdecken.

In einer Kundenanwendung ergab sich so für den CO2-Laser ein Vorteil mit um Faktor zwei weniger kleiner Schwei?perlen und Faktor 3? weniger gro?er Schwei?perlen. Die Qualit?tsanforderung an die Oberfl?che verhinderte den Einsatz eines Faserlasers.

Aus Sicht der Applikation haben beide T echnologien ihre Berechti-gung, denn gerade Laseranwendungen mit hohen Einschwei?tie-fen ab ~ 8 mm sind mit dem CO2-Laser einfacher zu realisieren, es sein denn man setzt beim Faserlaser auf deutlich h?here Leistungen - Letzteres immer mit dem Risiko der Spritzerbildung und sehr unruhiger Oberraupe der Schwei?naht.

Wavelength

Cost of ownership

In order to protect the melt pool of a weld against oxidation (blank seam) and to generate a smooth seam surface, a shielding gas is needed in both cases. Indeed, when welding with CO2lasers, a shielding gas is used to prevent energy being absorbed by the plasma cloud created. In the past, helium was usually used as shiel-ding gas, but with an eye on costs, argon, CO2 and nitrogen are now more common. The consumption of this shielding gas must be included in the calculation of the operating costs.

Initially, shielding gas was dispensed with for welding using 1μm lasers, because there is no need for plasma shielding for that wave-length. However, that reduces the quality of the welding seam (due to pores, holes) to the extent that sometimes an 80% welded length of a seam was accepted. This is obviously not acceptable for wa-tertight or gastight welding - but perhaps it is, for connecting two sheets of car body panels that will later be properly lacquered and sealed. An effect will also occur that is known as Mie-Scattering. The effect describes the scattering of electromagnetic waves on spherical surfaces that approximately equals with the wavelength.

The particles in welding smoke often satisfy this criterion, which im-pedes the coupling of the fiber laser performance into the material. When welding with 1μm lasers, a cross-jet air stream can be used to deflect the particles. This will ensure that the optical surfaces are protected against spatters and powder as well as reducing the ef-fects of Mie-Scattering. So, for the fiber laser there is an additional cost factor, which is the consumption of clean pressurized air at the cross jet.Um das Schmelzbad einer Schwei?ung gegen Oxidation (blanke Naht) abzudecken und eine ruhige Oberraupe zu erzeugen, wird in beiden F?llen ein Schutzgas ben?tigt. Beim Schwei?en mit CO2-Lasern wird sogar grunds?tzlich ein Schutz-gas eingesetzt, um die Abschirmung durch die entstehen-de Plasmawolke zu verhindern. In der Vergangenheit wurde in der Regel Helium als Schutzgas verwendet. Aus Kostengründen setzt man heute vermehrt Argon, CO2und Stickstoff ein. Der Verbrauch dieses Schutzgases flie?t natürlich in die Betriebskos-ten-Kalkulation mit ein.

Für Schwei?ungen mit 1μm-Lasern verzichtete man anfangs auf das Schutzgas, denn für die Wellenl?nge gibt es keine Plasmaab-schirmung. Dabei nimmt aber die Qualit?t der Schwei?naht so ab (Poren, L?cher), dass teilweise eine 80% geschwei?te L?nge einer Naht in Kauf genommen wurde. Für wasser- oder gasdichte Schwei?ungen ist dies also kein Ansatz - für das Verbinden von zwei Blechen einer Karosse, die sp?ter tauchlackiert und gedichtet wird evtl. schon. Zus?tzlich tritt hier ein Effekt auf, der als Mie-Streuung bekannt ist. Dieser Effekt beschreibt die Streuung von elektromagnetischen Wellen an sph?rischen Fl?chen, die in etwa der Wellenl?nge entspricht.

Die Partikel im Schwei?rauch erfüllen oft dieses Kriterium und die Einkopplung der Leistung des Faserlasers in das Material wird dadurch behindert. Daher kommt es bei Schwei?ungen für 1μm-Laser in der Regel zu einem Einsatz eines Cross-Jet Luftstromes, der die Partikel ablenkt. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die optischen Fl?chen von Spitzern und Schmauch geschützt werden, zum anderen wird die Mie-Streuung reduziert. So ergibt sich für die Faserlaser ein zus?tzlicher Kostenfaktor durch den Verbrauch der sauberen Pressluft am Cross-Jet.

Safety

Reliability

What other factors must be considered before making a final purchase decision?

Safety aspect

When a fiber laser with its wavelength of 1μm is used, increased safety measures must be taken. The laser process area must be within a light tight enclosure, monitoring the active process is done by cameras or even a microphone. Covers and shields for CO2-based-systems can be made from PMMA or even normal glass.

Reliability

Reliability is derived from the planned economically useful life of the system in relation to the actually useful economic life. Service periods, etc., limit the reliability of the laser. Optical components in CO2-laser-based systems are easy to handle, as the laser operators can clean or change them. Optics for fiber lasers must be made from quartz. No dust and dirt contamination is allowed, so the fiber can only be mounted and repaired in very clean conditions. Treating optics without this degree of care can create focal shift due to temperature change.Von welchen weiteren Faktoren sollte ich meine Kauf-entscheidung abh?ngig machen? Sicherheitsaspekt

Beim Einsatz des Faserlasers mit seiner Wellenl?nge von 1μm müssen versch?rfte Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Aus Sicherheitsgründen muss die Laserbearbeitungsstation mit einer Vollabdeckung abgeschirmt werden. Um den Bearbeitungs-prozess verfolgen zu k?nnen ist der Einsatz von Kameras oder sogar eines Mikrophons n?tig. Beim CO2-Laser ist in der Regel eine Verkleidung aus PMMA oder sogar einfachem Glas ausrei-chend.

Verfügbarkeit

Die geplante Laufzeit des Systems im Verh?ltnis zu der tats?chlich nutzbaren Laufzeit ergibt die Verfügbarkeit. Wartungszeiten etc. beschr?nken die Verfügbarkeit des Lasers. Optische Komponenten für CO2-Laser-Systeme sind in der Regel sehr einfach zu handha-ben. Sie k?nnen vom Bediener einfach gereinigt bzw. getauscht werden. Für Faserlaser werden Quartzoptiken verwendet, die frei von Schmutz und Staub gehalten werden müssen. Die Faser kann nur in Reinr?umen montiert bzw. repariert werden. Nicht optimal betriebene Optiken führen sehr schnell zu einem Fokusschift auf-grund von Temperaturver?nderungen.

Service requirements Output power

The fiber laser does not need consumables like the CO2 laser or DI-Water inside the system, that is why no downtime periods are required to exchange consumables. The cooling of the diodes is by heat conduction (passive cooling) which avoids erosion and corrosion issues that can occur by active cooling. The complete unit of the fiber laser and also any individual pump unit is exchangeable as a field service. Pump module management makes the laser work with a failed pump unit even at specified output power.

The pump module life time of the fiber laser is only limited by the pumping diodes, which are nowadays well accepted being a long life component.

Output power

For today‘s current industrial applications, laser output power is not a limiting factor. This may happen if special large focal spots, gap bridging etc. are required, and in this case, it is recommended to review if this is a laser application at all. Laser power should always be optimized in application trials. It is recommended to plan for reserves that may possibly be needed in the light of industrial environmental conditions.Faserlaser verwenden keine Verbauchsmaterialien, wie der CO2-Laser und kein DI-Wasser, weshalb keine klassische Wartung mit Tausch von Verschlei?teilen n?tig ist. Die Pumpdioden werden über Macro-Kan?le gekühlt (passive Kühlung), wodurch das Auftreten von Erosions- und Korrosionssch?den verhindert wird, was bei aktiv gekühlten Dioden auftreten kann. Die komplette Lasereinheit des Faserlasers als auch die einzelnen Pumpmodule k?nnen durch einen Servicetechniker vor Ort getauscht werden. Kommt es zu einem ungeplanten Ausfall eines Pumpmoduls wird dieses abgeschaltet und der Laser erreicht auch ohne dieses Pumpmodul die spezifizierte Nennleistung.

Die Lebensdauer der Pumpmodule ist lediglich durch die Pump-dioden limitiert, die aber heutzutage hohe Verfügbarkeiten und ?u?erst lange Lebensdauern bieten.

Ausgangsleistung

Die Laserausgangsleistung ist für die heute g?ngigen Applika-tionen nicht mehr der limitierende Faktor. Nur bei sehr gro?en Brennflecken, Spaltüberbrückung etc. k?nnte die Ausgangsleistung relevant sein. In diesen F?llen ist jedoch zu prüfen, ober der Laser das richtige Werkzeug für die entsprechende Applikation ist. Die Laserleistung sollte immer in Applikationsversuchen optimiert werden. Es ist ratsam Reserven einzuplanen, die gegebenenfalls aufgrund der industriellen Umgebungsbedingungen gebraucht werden k?nnten.

Beam guidance

Application

Flexibility of beam guidance – suitability for robot operation With the CO2 laser, the beam is directed via several deflection mir-rors, therefore not as flexible as with fiber lasers. If more than three deflection mirrors are needed with the CO2laser for guiding the beam, it may make sense to think about using a fiber laser.

The process fiber of the fiber laser can easily be connected to the processing optics or robot and be guided flexibly. The fiber laser does not have to be positioned next to the processing machine, because only the fiber needs to be connected. There are various lengths available, the standard is a fiber length of 15 to 20 metres. Depending on the beam quality, it is possible to work with lengths of up to 100 m.

Occurrence of spatters at welding applications

There may be increased occurrence of spatters when using the fiber laser for welding applications. If the component to be manufactured will be for example, not be visible in the final product or perhaps even lacquered, this aspect is negligible. Therefore, the first ques-tion to be answered is whether the possible incidence of splashing may be acceptable.Flexibilit?t der Strahlführung – Eignung für den Roboterbetrieb Beim CO2-Laser wird der Strahl über mehrere Umlenkspiegel geführt weshalb die Strahlführung sich nicht so flexibel gestaltet wie bei den Faserlasern. Werden beim CO2-Laser mehr als drei Umlenkspiegel für die Strahlführung ben?tigt, empfiehlt es sich über den Einsatz eines Faserlasers nachzudenken.

Die Faser des Faserlasers l?sst sich leicht mit der Bearbeitungs-optik oder dem Roboter verbinden und kann flexibel geführt werden. Der Faserlaser muss nicht direkt neben der Bearbeitungs-maschine platziert werden, da nur die Faser verbunden werden muss. Diese ist in unterschiedlichen L?ngen verfügbar. Standard-gem?? wird eine Faserl?nge von 15 bis 20 Meter eingesetzt. Abh?ngig von der Strahlqualit?t kann jedoch mit L?ngen von bis zu 100 m gearbeitet werden.

S pritzerbildung bei Schwei?anwendungen

Beim Einsatz des Faserlasers kann es bei Schwei?anwendungen vermehrt zu Spritzerbildung kommen. Wird das herzustellende Teil z.B. nicht sichtbar verbaut oder gar überlackiert, f?llt dieser Aspekt nicht ins Gewicht. Deshalb muss zun?chst die Frage gekl?rt werden, ob eventuelle Spritzerbildung in Kauf genommen werden kann.

Is multi-station use planned?

ROFIN fiber lasers can have up to four outlets, to each of which a process fiber can be connected. In turn, they can be connected to four work stations and the beam is switched from outlet to outlet.

It is therefore possible to operate at four work stations with a sin-gle laser. Output may be switched or shared. With so-called …time sharing“, the beam can be switched from station to station and it is possible to work intervals with full laser performance at all four work stations.

If the work stations should be simultaneously operated with one la-ser, it is possible to fall back on the …energy saving“ possibility. In that case, not the full performance is available at the work stations, but the beam is shared. With a 2 kW fiber laser, two work stations can then served simultaneously with a laser performance of 1 kW each.

The CO2laser has only one beam outlet. If that one should be shared, external components, such as a beam switch must be built in.

Which degree of systems accuracy is required for the application? Fiber laser focal spots can be varied in the range from 20 to 600μm. System tolerances generally have to fit the used laser focus. There are applications that require - even by using a bigger spot - toleran-ces within < 50μm to achieve acceptable results.Ist ein Einsatz im Mehrstationenbetrieb geplant?

ROFIN Faserlaser k?nnen bi zu vier Ausg?nge haben, an die jeweils eine Faser angeschlossen werden kann. Mit jeder Faser l?sst sich eine Arbeitsstation verknüpfen und der Strahl wird von Ausgang zu Ausgang geschaltet.

Mit einem Laser kann somit an vier Arbeitsstationen gearbeitet werden. Dabei kann die Leistung umgeschaltet oder aufgeteilt werden. Bei dem so genannten …Time sharing“ wird der Strahl zeitlich umgeschaltet und es kann an allen vier Arbeitsstationen zeitversetzt mit voller Laserleistung gearbeitet werden.

Will man vier Arbeitsstationen gleichzeitig mit einem Laser betreiben, kann man auf die M?glichkeit des …Energy Sharing“ zurückgreifen. Hierbei steht an den Arbeitsstationen nicht die volle Leistung zur Verfügung, sondern der Strahl wird aufgeteilt. Bei einem 2 kW Faserlaser k?nnen dann zwei Arbeitsstationen gleichzeitig mit einer Laserleistung von jeweils 1 kW bedient werden.

Der CO2-Laser verfügt über nur einen Strahlausgang. Will man diesen teilen, müssen externe Komponenten, wie z.B. ein Strahl-schalter eingebaut werden.

W elches Ma? an Systemgenauigkeit ist für die Applikation erforderlich? Faserlaser Foki k?nnen zwischen 20 und 600μm variieren. System-toleranzen müssen generell zu dem verwendeten Laser-fokus passen. Es gibt Applikationen, die – sogar bei Verwendung eines gr??eren Spots - Toleranzen im Bereich < 50μm ben?tigen um gute Ergebnisse zu erreichen.

光纤激光器原理

光纤激光器原理 光纤激光器主要由泵浦源,耦合器,掺稀土元素光纤,谐振腔等部件构成。泵浦源由一个或多个大功率激光二极管阵列构成,其发出的泵浦光经特殊的泵浦结构耦合入作为增益介质的掺稀土元素光纤,泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收,形成粒子数反转,受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。 光纤激光器特点 光纤激光器以光纤作为波导介质,耦合效率高,易形成高功率密度,散热效果好,无需庞大的制冷系统,具有高转换效率,低阈值, 光纤激光器原理图1: 峰值功率:脉冲激光器,顾名思义,它输出的激光是一个一个脉

冲,每单个脉冲有一个持续时间,比如说10 ns(纳秒),一般称作单个脉冲宽度,或单个脉冲持续时间,我们用t 表示。这种激光器可以发出一连串脉冲,比如,1 秒钟发出10 个脉冲,或者有的就发出一个脉冲。这时,我们就说脉冲重复(频)率前者为10,后者为1,那么,1 秒钟发出10 个脉冲,它的脉冲重复周期为0.1 秒,而1 秒钟发出1 个脉冲,那么,它的脉冲重复周期为1 秒,我们用T 表示这个脉冲重复周期。 如果单个脉冲的能量为E,那么E/T 称作脉冲激光器的平均功率,这是在一个周期内的平均值。例如, E = 50 mJ(毫焦),T = 0.1 秒,那么,平均功率P平均= 50 mJ/0.1 s = 500 mW。 如果用 E 除以t,即有激光输出的这段时间内的功率,一般称作峰值功率(peak power),例如,在前面的例子中E = 50 mJ, t = 10 ns, P峰值= 50 ×10^(-3)/[10×10^(-9)] = 5×10^6 W = 5 MW(兆瓦),由于脉冲宽度t 很小,它的峰值功率很大。 脉冲能量E=1mj 脉宽t=100ns 重复频率20-80K 脉冲持续时间T=1s/2k=?秒 平均功率P=E/T=0.001J/0.00005s=20W P峰值功率=E/t 激光的分类: 激光按波段分,可分为可见光、红外、紫外、X光、多波长可调谐,目前工业用红外及紫外激光。例如CO2激光器10.64um红外

激光原理复习题重点难点

《激光原理》复习 第一部分知识点 第一章激光的基本原理 1、自发辐射受激辐射受激吸收的概念及相互关系 2、激光器的主要组成部分有哪些?各个部分的基本作用。激光器有哪些类型?如何对激光器进行分类。 3、什么是光波模式和光子状态?光波模式、光子状态和光子的相格空间是同一概念吗?何谓光子的简并度? 4、如何理解光的相干性?何谓相干时间,相干长度?如何理解激光的空间相干性与方向性,如何理解激光的时间相干性?如何理解激光的相干光强? 5、EINSTEIN系数和EINSTEIN关系的物理意义是什么?如何推导出EINSTEIN 关系? 4、产生激光的必要条件是什么?热平衡时粒子数的分布规律是什么? 5、什么是粒子数反转,如何实现粒子数反转? 6、如何定义激光增益,什么是小信号增益?什么是增益饱和? 7、什么是自激振荡?产生激光振荡的基本条件是什么? 8、如何理解激光横模、纵模? 第二章开放式光腔与高斯光束 1、描述激光谐振腔和激光镜片的类型?什么是谐振腔的谐振条件? 2、如何计算纵模的频率、纵模间隔? 3、如何理解无源谐振腔的损耗和Q值?在激光谐振腔中有哪些损耗因素?什么是腔的菲涅耳数,它与腔的损耗有什么关系? 4、写出(1)光束在自由空间的传播;(2)薄透镜变换;(3)凹面镜反射 5、什么是激光谐振腔的稳定性条件? 6、什么是自再现模,自再现模是如何形成的? 7、画出圆形镜谐振腔和方形镜谐振腔前几个模式的光场分布图,并说明意义 8、基模高斯光束的主要参量:束腰光斑的大小,束腰光斑的位置,镜面上光斑的大小?任意位置激光光斑的大小?等相位面曲率半径,光束的远场发散角,模体积 9、如何理解一般稳定球面腔与共焦腔的等价性?如何计算一般稳定球面腔中高斯光束的特征 10、高斯光束的特征参数?q参数的定义? 11、如何用ABCD方法来变换高斯光束? 12、非稳定腔与稳定腔的区别是什么?判断哪些是非稳定腔。 第三章电磁场与物质的共振相互作用 1、什么是谱线加宽?有哪些加宽的类型,它们的特点是什么?如何定义线宽和线型函数?什么是均匀加宽和非均匀加宽?它们各自的线型函数是什么? 2、自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽与哪些因素有关? 3、光学跃迁的速率方程,并考虑连续谱和单色谱光场与物质的作用和工作物质的线型函数。 4、画出激光三能级和四能级系统图,描述相关能级粒子的激发和去激发过程。建立相应能级系统的速率方程。 5、说明均匀加宽和非均匀加宽工作物质中增益饱和的机理。 6、描述非均匀加宽工作物质中增益饱和的“烧孔效应”,并说明它们的原理。

激光原理及应用实验讲义 -4个实验

实验一CO2激光器及激光扫描实验 一、实验目的 1、了解CO2激光器的工作原理及典型结构; 2、掌握CO2激光器的输出特性; 3、掌握CO2激光器的使用方法; 4、掌握激光扫描及F-Theta镜的工作原理。 二、实验器材 CO2激光管1支,激光电源1台,功率计1台,水冷系统1套,扫描系统1套,控制器1套,计算机1台 三、实验原理 1、CO2激光器工作原理 CO2激光器的工作气体是CO2、N2和He的混合气体。波长9-11um间,处于大气传输窗口(吸收小,2-2.5um;3-5um;8-14um)。利用同一电子态的不同振动态(对称、弯曲和反对称振动)的转动能级间的跃迁。 图1 CO2激光器典型结构 CO2激光器由工作气体、放电管、谐振腔和电源等组成。放电管大多采用硬质玻璃(如GG)制成,放电管的内径和长度变化范围很大。为了防止内部气压和气压比的变化而影响17 器件寿命,放电管外加有贮气管。为了防止发热而降低输出功率,加有水冷装置。激光器的 输出功率随着放电管长度加长而增大。 CO2激光器中与激光跃迁有关的能级是由CO2分子和N2分子的电子基态的低振动能级构成的。CO2振动模型如图1所示。 激光跃迁主要发生在0001→1000和0001→0200两个过程,分别输出10.6um和9.6um。激光低能级100和020都可以首先通过白发辐射到达0l0,再次通过自发辐射到达基态000,但由于自发辐射的几率不大,远不如碰撞驰豫过程快,其主要的驰豫过程如图2。

分子反对称振动 CO 2 分子振动模型 图1 CO 2 图2 CO2分子能级跃迁过程 其中前两个过程进行得很快,而后两个过程进行得很慢,故分子堆积在010能级上,形成瓶颈效应,而使粒子数反转减小,特别是温度升高时,由热激发而使010能级上分子增加,造成粒子数反转的严重下降,甚至停振,最后一个式子中的M代表辅助气体。如果选择恰当的气体(常见的如H2O和H2)作为辅助气体,可促进010能级上分子的弛豫过程。另外由于010能级上的分子扩散到管壁上会引起消激发,这就使器件的管壁不能太粗。另外,为了增加气体的热导率,通过在气体中加入He气,可实现对放电管的冷却,同样使气体流动,都是降低温的好办法。 气体中一般还需要加入N2气,利用其v=1能级与CO2分子的001能级相差较小,可以实现共振转移,选择性激励co2分子进入001态,特别由于N2气的v=1态不能通过自发

详解二氧化碳激光管的三个组成部分

详解二氧化碳激光管的三个组成部分 本文章出自:https://www.360docs.net/doc/a15746228.html, 作者:陈凌志公司:https://www.360docs.net/doc/a15746228.html, CO2激光打标机,激光管的结构主要由硬质玻璃、谐振腔、电极三部分组成。下面主要来介绍一个三部分的详细结构及原理, 第一部分:硬质玻璃部分;本部件由GG17料烧制成放电管、水冷套、储气套和回气管而组成。封离式CO2激光器通常为三层套管结构。最里面的是放电管,中间是水净套,最外一层是储气套,回气管是用于连通放电管和储气管。 第二部分:谐振腔部分:本部件由全反镜和输出反射镜组成。谐振腔的全反镜一般以光学玻璃为基底,表面渡金膜,金膜反射镜在10.6um附近的反射率达98%以上;谐振腔的输出反射镜一般采用能透射10.6um辐射的红外线材料锗(Ge)为基底,在上面渡上多层介质膜而制成。 第三部分:电极部分:CO2激光器一般采用冷阴极,形状为圆筒形,阴极材料选用对激光器的寿命有很大的影响,对阴极材料的基本要求是:溅射率低,气体吸收率小, 对于co2激光打标机而言,激光管的质量和性能直接影响到co2激光打标机的工作效率,这也是co2激光打标机最重要的部分之一。一般co2激光打标机激光器常用硬质玻璃制成,一般采用层套筒式结构。最里面一层是放电管,第2层为水冷套管,最外一层为储气管。二氧化碳激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响,主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应,应根据管长而定。管长的粗一点,管短的细一点。放电管长度与输出功率成正比。在一定的长度范围内,每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。加水冷套的目的是冷却工作气体,使输出功率稳定。 放电管在两端都与储气管连接,即储气管的一端有一小孔与放电管相通,另一端经过螺旋形回气管与放电管相通,这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动,放电管中的气体随时交换。被广泛适用于亚克力、塑料产品等非金属打标、雕刻;并且发展到对电镀低碳钢打标的能力。CO2激光器还被用在自动化系统中对电子仪器的柔性电路板和膜片的聚酰亚胺和聚酯薄板。所以了解激光CO2激光打标机,激光管的结构后才能进行进一步的了解。

CO2激光器原理及应用

目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Keywords (1) 1引言 (2) 2激光 (2) 2.1激光产生的三个条件 (3) 2.2激光的特点 (3) 2.3激光器 (3) 3 CO2激光器的原理 (5) 3.1 CO2激光器的基本结构 (5) 3.2 CO2激光器基本工作原理 (7) 3.3 CO2激光器的优缺点 (8) 4 CO2激光器的应用 (9) 4.1军事上的应用 (9) 4.2医疗上的应用 (10) 4.3工业上的应用 (12) 5 CO2激光器的研究现状与发展前景 (14) 5.1 CO2激光器的研究现状 (14) 5.2 CO2激光器的发展前景 (15) 6 结束语 (17) 参考文献 (19) 致谢 (20)

摘要:本文从引言出发介绍了CO2激光技术的基本情况,简单介绍了激光和激光器的一些特点,重点介绍了气体激光器中的CO2激光器的相关应用,目前CO2激光器是用最广泛的激光器之一,它有着一些非常突出的高功率、高质量等优点。论文首先介绍了应用型CO2激光器的基本结构和工作原理,着重介绍了应用型CO2激光器在军事、医疗和工业三个主要领域的应用,最后介绍应用型CO2激光器的研究前景和现状。通过这些介绍使得人们能够加深对CO2激光器的了解和认识。 关键词: CO2激光器;基本原理;基本结构;应用; Abstract: This departure from the introduction of CO2 laser technology, introduced the basic situation, briefly introduced some of the characteristics of laser and laser to highlight the CO 2gas laser in laser-related applications, the current CO 2 laser was one of the most extensive laser, it had some very prominent high-power, high quality and so on. Paper introduced the application of CO 2 laser-type basic structure and working principle, focusing on the application type CO 2 laser in the military, medical and industrial application of the three main areas, Finally, applied research prospects for CO 2 laser and status. Through these presentations allowed people to deepen their knowledge and understanding of CO s lasers. Keywords:CO2Laser Basic Principle Basic Structure Application

二氧化碳激光器的工作原理及发光过程

二氧化碳激光器简介 二氧化碳激光器,可称“隐身人”,因为它发出的激光波长为10.6 微米,“身”处红外区,肉眼不能觉察,它的工作方式有连续、脉冲两种。连续方式产生的激光功率可达20 千瓦以上。脉冲方式产生波长10.6 微米的激光也是最强大的一种激光。 二氧化碳激光器的工作原理 二氧化碳分子为线性对称分子,两个氧原子分别在碳原子的两侧,所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着,要绕其平衡位置不停地振动。 根据分子振动理论,二氧化碳有三种不同的振动方式: ①二个氧原子沿分子轴,向相反方向振动,即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值,而此时分子中的碳原子静止不动,因而其振动被叫做对称振动。 ②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动,且振动方向相同,而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的,又称为变形振动。 ③三个原子沿对称轴振动,其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反,又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中,确定了有不同组别的能级。 二氧化碳激光器的发光过程 二氧化碳激光器中,主要的工作物质由二氧化碳,氮气,氦气三种气体组成。 其中二氧化碳是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦,可以加速010能级热弛预过程,因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在二氧化碳激光器中起能量传递作用,为二氧化碳激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。二氧化碳分子激光跃迁能级图二氧化碳激光器的激发条件:放电管中,通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时,放电管中的混合气体内的氮分子

由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和二氧化碳分子发生碰撞,N2分子把自己的能量传递给CO2分子,二氧化碳分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。

CO2激光器原理与应用.

CO2激光器原理及其应用 课程激光原理与技术 班级光信息121801班 学号 201218010126 姓名曾庆苏 指导教师杨旭东 完成日期 2015.6.15

目录 前言 (1) 激光器简介 (1) 一、CO 2 激光器分类 (2) 二、CO 2 三、CO 激光器输出特性及其缺点 (3) 2 激光器结构 (3) 四、CO 2 4.1 激光管 (4) 4.2 光学谐振腔 (4) 4.3 电源及泵浦 (4) 激光器原理 (5) 五、CO 2 5.1 CO 分子的的能级结构 (5) 2 分子的振转跃迁 (5) 5.2 CO 2 5.3 CO 激光器激光上能级的激发过程 (6) 2 5.4 CO 激光器激光下能级的弛豫 (7) 2 5.5 CO 激光器激光产生 (7) 2 激光器的应用 (8) 六、CO 2 6.1工业应用 (8) 6.2医疗应用 (8) 6.3军事应用 (9) 6.4环境应用 (9) 激光器发展特点 (10) 七、CO 2 7.1发展历史 (10) 7.2发展现状 (10) 7.3发展前景 (11) 八、结束语 (11)

前言: 二氧化碳激光于1964年首次运用其波长为10.6μm。因为这是一种非常有 效率的激光,作为商业模型来说其转换效率达到10%,所以二氧化碳激光广泛用于激光切割,焊接,钻孔和表面处理。作为商业应用激光可达45千瓦,这是目前最强的物质处理激光。二氧化碳激光器是目前连续输出功率较高的一种激光,它发展较早,商业产品较为成熟,被广泛应用到材料加工、医疗使用、军事武器、环境量测等各个领域,是用最广泛的激光器之一。二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展,也是光武器和核聚变研究中的重大成果。 论文首先介绍了应用型CO 2 激光器的基本结构和工作原理,着重介绍了应用 型CO 2 激光器在军事、医疗、工业和环境四个主要领域的应用,最后介绍应用型 CO 2激光器的发展历史、现状、以及前景。通过这些介绍使得大家能够加深对CO 2 激光器的了解和认识。 一、CO2激光器简介 1964年,Patel等人首先发现了用CO 2 气体观察到大约10.6微米的连续波激 光作用,(其中还有9.6微米)经过多年对CO 2 气体激光的研究,今天它已经成为产品,广泛用于各种领域。 CO 2 激光器是分子气体激光器,分子气体由碳和氧组成(最常用),分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一种激光器,实现高效率与高功率 输出。CO 2分子气体激光器中主要物质为CO 2 ,辅助气体有氮气,氦气等。它的 光电转换效率(输出激光功率与输出电功率之比)较高,一般为15%左右,输出功 率从瓦级直到万瓦级。由于CO 2 结构类型差异很大,它应用于不同的领域,其中 应用最为广泛的当属激光医学,CO 2 激光器输出波长为10.6um,是不可见的红外光,它极易被人体组织200pm内的表层所吸收,稳定性较好,是医学上应用最为广泛的一种气体激光 工作物质:CO 2 、N2和He的混合物 激光波长:10.6微米、9.6微米(远红外光)(利用基态的不同振动态的转动能级之间的跃迁,故光子能量小) 特点:激光器效率高、输出能量大、功率高。

CO2激光管结构原理

CO2激光管结构及其工作原理 封离型CO2激光管的机构及其原理。其结构由内到外依次顺序为放电管,水冷管,储气套,回气管,放电电极,全反镜,输出镜组成。 1.放电管:CO2激光管所需的混合气体在这里放电产生激射,也是激光管 的核心组成部分,放电管的质量决定了CO2激光管的光斑模式,功率大小等诸多因素。对它的要求是圆度要好,要正直,为什么这么说呢?这里主要是考虑到光的传播特性。光的直线传播特性决定放电管的尺寸和规格。如果放电管弯曲,就没有充分利用放电增益区,会使输出功率下降,同样也会使输出模式变坏,从而得不到TEM00模。放电管长度和内径的选取,要考虑诸多因素,即对激光输出功率激光媒质的增益,模式等。 2.水冷套:放电管外面是水冷套。因为CO2激光器的工作能级离基态很 近,因此必须水冷却,需要外加水冷套。 3.储气套:管子的最外层是储气套,他的作用是最大化的增加混合气体容 量,对于提高CO2激光管的寿命有很大的好处,同时还可以使激光器结构相对牢固。 4.回气管:阳极和阴极有两条通路,一条为放电管,另一条即为回气管, 回气管作为一个气体循环的回路。回气管的作用是很明显的,它能克服混合气体因高压放电产生的电泳现象。如果没有回气管,在高压放电过程中,由于各种气体分子的电离程度不同,极性不同,质量不同,在电场作用下,气体向两极分离,气体混合不均匀,直接导致CO2激光管输出功率大幅度下降。 5.放电电极:CO2激光管高压放电激励时处于辉充放电区,所需的电流较 小,因此我们常采用冷阴极,阴极材料和结构对激光管寿命有很大关 系。一般采用圆筒结构,选用物理化学性能稳定的金属Ni。 6.谐振腔:对与谐振腔的要求⑴衍射损失小;⑵能够获得单模;⑶对准相 对方便。

CO2激光器基本原理.

CO2 激光器基本原理 CO2 激光器基本原理、机构介绍 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。 CO2激光器的工作原理:与其它分子激光器一样,CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动,即分子里电子的运动,其运动决定了分子的电子能态;二是分子里的原子振动,即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动——并决定于分子的振动能态;三是分子转动,即分子为一整体在空间连续地旋转,分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂,因而能级也很复杂。 CO2分子为线性对称分子,两个氧原子分别在碳原子的两侧,所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着,要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论,CO2有三种不同的振动方式:①二个氧原子沿分子轴,向相反方向振动,即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值,而此时分子中的碳原子静止不动,因而其振动被叫做对称振动。②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动,且振动方向相同,而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的,又称为变形振动。③三个原子沿对称轴振动,其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反,又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中,确定了有不同组别的能级。 CO2激光的激发过程:CO2激光器中,主要的工作物质由CO2,氮气,氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦,可以加速010能级热弛预过程,因此有利于激光能级100及020 的抽空。氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用,为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。 CO2分子激光跃迁能级图 CO2激光器的激发条件:放电管中,通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时,放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这

常用激光器简介

几种常用激光器的概述 一、CO 激光器 2 1、背景 气体激光技术自61年问世以来,发展极为迅速,受到许多国家的极大重视。特别是近两年,以二氧化碳为主体工作物质的分子气体激光器的进展更为神速,已成为气体激光器中最有发展前途的器件。 二氧化碳分子气体激光器不仅工作波长(10.6微米)在大气“窗口”,而且它正向连续波大功率和高效率器件迈进。1961年,Pola-nyi指出了分子的受激振动能级之间获得粒子反转的可能性。在1964年1月美国贝尔电话实验室的C.K.N.Pate研制出第一支二氧化碳分子气体激光器,输出功率仅为1毫瓦,其效率为0.01%。不到两年,现在该类器件的连续波输出功率高达1200瓦,其效率为17 %,电源激励脉冲输出功率为825瓦,采用Q开关技术已获得50千瓦的脉冲功率输出。最近,有人认为,进一步提高现有的工艺水平,近期可以达到几千瓦的连续波功率输出和30~40% 的效率。 2、工作原理 CO2激光器中,主要的工作物质由CO?,氮气,氦气三种气体组成。其中CO?是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦,可以加速010能级热弛预过程,因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在CO?激光器中起能量传递作用,为CO?激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。CO?分子激光跃迁能级图CO?激光器的激发条件:放电管中,通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时,放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激

发的氮分子便和CO?分子发生碰撞,N2分子把自己的能量传递给CO2分子,CO?分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。 3、特点 二氧化碳分子气体激光器不但具有一般气体激光器的高度相干性和频率稳定性的特点,而且还具有另外三个独有的特点: (1)工作波长处于大气“窗口”,可用于多路远距离通讯和红外雷达。 (2)大功率和高效率( 目前,氩离子激光器最高连续波输出功率为100瓦,其效率为0.17 %,原子激光器的连续波输出功率一般为毫瓦极,其效率约为0.1%,而二氧化碳分子激光器连续波输出功率高达1200瓦,其效率为17%)。 (3)结构简单,使用一般工业气体,操作简单,价格低廉。由此可见,随着研究工作的进展、新技术的使用,输出功率和效率会不断提高,寿命也会不断增长,将会出现一系列新颖的应用。例如大气和宇宙通讯、相干探测和导航、超外差技术和红外技术等。 4、应用 二氧化碳分子激光器以其独有的特点获得广泛的应用,现就某些方面的应用介绍如下: 1、热效应的应用 可以毫不困难地把激光器的射束直径聚成100微米。在此情况下。300瓦的功率就相当于107瓦/厘米2数量级的能量密度,此值已超过太阳光的能量密度,能达到极高的温度。例如Garver公司研制的800 瓦二氧化碳激光器在2秒钟之内就能烧穿4寸厚的耐火砖。因而,可以想象这些分子激光器可以用于解决高温材料的焊接、融熔和钻孔。例如6200型二氧化碳激光器连续波输出10瓦,可用

激光的原理及激光器分类

激光器的原理及分类 一、基础原理 量子理论认为,所有物质都是由各种微观”粒子”组成,如分子,原子,质子,中子,电子等。在微观世界里,各种粒子都有其固有的能级结构。当一个粒子从高能级掉到低能级时,根据能量守恒定律,它要把两个能级相差部分的能量释放出来,通常这个能量以光和热两种形式释放出来。 二、自发辐射、受激辐射 1、自发辐射 普通常见光源的发光(如电灯、火焰、太阳等地发光)是由于物质在受到外来能量(如光能、电能、热能等)作用时,原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级,即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。但是处在高能级(E2)的电子寿命很短(一般为10-8~10-9秒),在没有外界作用下会自发地向低能级(E1)跃迁,跃迁时将产生光(电磁波)辐射。辐射光子能量=E2-E1。过程各自独立、互补关联,所有辐射的光在发射方向上是无规律的射向四面八方,并且频率不同、偏振状态和相位不同。 2、受激辐射 在原子中也存在这样一些特定高能级,一旦电子被激发到这个高能级之上,却由于不满足跃迁的条件,发生跃迁的几率很低,电子能够在高能级上的时间很

长,就所谓的亚稳定状态。但在能在外界光场的照射下发生往下跃迁,并且向下跃迁时释放出一个与射入光场相同的光子,在同一个方向、有同一个波长。这就是受激辐射,激光正是利用这一原理激发出来。 二、粒子数反转 通过受激辐射出来的光子,不仅可以引起其他粒子受激辐射,也可以引起受激吸收。只有在处于高能级的原子数量大于处于低能级原子数时,所产生的受激辐射才能大于受激吸收。但是在自然条件下,原子都是都处于稳定的基态,只能通过技术手段将大量的原子都调整到高能级的状态,才能有多余的辐射向外产生。这个技术叫粒子数反转。 三、光放大过程

CO2激光器工作原理及分类

CO2激光器工作原理及分类 内容来源网络,由“深圳机械展(11万㎡,1100多家展商,超10万观众)”收集整理!更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示,就在深圳机械展. 二氧化碳激光于1964年首次运用其波长为10.6μm。因为这是一种非常有效率的激光,作为商业模型来说其转换效率达到10%,所以二氧化碳激光广泛用于激光切割,焊接,钻孔和表面处理。作为商业应用激光可达45千瓦,这是目前最强的物质处理激光。 1、运作原理 二氧化碳激光是一种分子激光。主要的物质是二氧化碳分子。它可以表现多种能量状态这要视其震动和旋转的形态而定。基本的能量网状见图1。二氧化碳里的混合气体是由于电子释放而造成的低压气体(通常30-50托)形成的等离子(电浆)。如麦克斯韦-波尔兹曼分布定律所说,在等离子里,分子呈现多种兴奋状态。一些会呈现高能态(00o1)其表现为不对称摆动状态。当与空心墙碰撞或者自然散发,这种分子也会偶然的丢失能量。通过自然散发这种高能状态会下降到对称摆动形态(10o0)以及放射出可能传播到任何方向的光子(一种波长10.6μm的光束)。偶然的,这种光子的一种会沿着光轴的腔向下传播也将在共鸣镜里摆动。

图1简单的二氧化碳分子能量水平图 大体上,二氧化碳激光的工作物质是由二氧化碳、氦、氮气所组成的混合物。氮气作为缓冲气体以及它的分子共鸣地传递刺激能量给二氧化碳分子。因为张弛水平(01110)是瓶颈,氦的作用是作为热壑来传递能量给水平(01110)给氦原子。 2、二氧化碳激光的种类 废热被拒的方式对激光系统设计有很大的影响。原则上,有两种可能的方式。第一种方式是基于自动处理自然扩散热气到管墙,运作原理就是密封和慢轴流激光。第二种是基于气体强迫对流,其运作原理就是快轴流激光。大体上,主要有五种二氧化碳激光:密封式或无流式 慢轴流 快轴流 快速横向流 横向激励大气(TEA) 密封或无流式二氧化碳激光通常以用于光束偏转激光做记号。它的放电管完全被封住。这种激光束的质量非常好。而且在大多数情况下整个放电管可以换新旧的可以重新灌气所以

CO2激光器作业

2012中北大学激光技术作业题目:CO2激光器的原理和应用 班级:09050241 学号:48 姓名:黄堂侠 日期:2012-12-28 成绩:

1.引言 CO2激光器是当今最流行的激光器之一。CO2激光器可以配置和定制,用于满足在各种学科领域的应用。大范围的功率输出、相对高的效能以低成本使得它成为较为理想激光设备,在工业、军事、医疗、科研等方面得到了广泛的应用,给我们的实现生活带了许多便利。 本文主要讨论CO2激光的基本结构、基本原理、性能优化和特点,并着介绍CO2激光器的应用,最后介绍了CO2激光器的发展前景。 2.CO2激光器的基本结构 图一CO2激光系统简易图 基本结构: ①激光管 激光器中最关键的部分。通常由三部分组成(如图1所示):放 电空间(放电管)、水冷套(管)、储气管。 放电管通常由硬质玻璃制成,一般采用层套筒式结构。它能够影响激光的输出以及激光输出的功率,放电管长度与输出功率成正比。在一定的长度范围内,每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。一般而言,放电管的粗细对对输出功率没有影响。 水冷套管的和放电管一样,都是由硬质玻璃制成。它的作用是冷却工作气体,

使得输出功率稳定。 储气管与放电管的两端相连接,即储气管的一端有一小孔与放电管相通,另一端经过螺旋形回气管与放电管相通。它的作用是可以使气体在放电管中与中循环流动,放电管中的气体随时交换。 ②光学谐振腔 激光器的重要光学谐振腔由全反射镜和部分反射镜组成,是CO 2 组成部分。光学谐振腔通常有三个作用:控制光束的传播方向,提高单色性;选定模式;增长激活介质的工作长度。 最简单常用的激光器的光学谐振腔是由相向放置的两平面镜(或球面镜)构成。CO2激光器的谐振腔常用平凹腔,反射镜采用由K8光学玻璃或光学石英加工成大曲率半径的凹面镜,在镜面上镀有高反射率的金属膜——镀金膜,使得波长为10.6μm的光反射率达98.8%,且化学性质稳定。我们知道二氧化碳发出的光为红外光,因此反射镜需要应用透红外光的材料。因为普通光学玻璃对红外光不透,就要求在全反射镜的中心开一小孔,再密封上一块能透过10.6μm激光的红外材料,以封闭气体,这样就使谐振腔内激光的一部分从这一小孔输出腔外,形成一束激光。 ③电源及泵浦 泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转。封闭式CO2激光器的放电电流较小,采用冷电极,阴极用钼片或镍片做成圆筒状。30~40mA 的工作电流,阴极圆筒的面积500cm2,不致镜片污染,在阴极与镜片之间加一光栏[6]。 3.CO2 激光器基本工作原理 CO2 激光器使用CO2 作为增益介质,同时混合其他气体来加强CO2分子的激发和改善其他参数。例如,混合的气体有氮气和氦气,有利于促进CO2分子的激发和提高激光的效能[2,3]。

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