激光器的選用：主流的激光器類型均支持激光熔覆工藝，例如CO2激光器，固體激光器，光纖激光器，半導(dǎo)體激光器等。目前應(yīng)用廣泛的有CO2激光器，固體激光器。CO2激光器是應(yīng)用最廣、種類最多的一種激光器，在汽車工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、造船工業(yè)、航空及宇航業(yè)、電機(jī)工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、冶金工業(yè)、金屬加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。約占全球工業(yè)激光器銷售額40%，北美更高達(dá)70%。
CO2激光器的原理
與其它分子激光器相同，CO2激光器工作原理其受激起射進(jìn)程也較凌亂。分子有三種不相同的運動，即分子里電子的運動，其運動抉擇了分子的電子能態(tài);二是分子里的原子振動，即分子里原子盤繞其平衡位置不停地作周期性振動——并抉擇于分子的振動能態(tài);三是分子翻滾，即分子為一全體在空間接連地旋轉(zhuǎn)，分子的這種運動抉擇了分子的翻滾能態(tài)。分子運動極端凌亂，因此能級也很凌亂。
CO2分子為線性對稱分子，兩個氧原子分別在碳原子的兩頭，所表明的是原子的平衡位置。分子里的各原子一向運動著，要繞其平衡位置不停地振動。依據(jù)分子振動理論，CO2有三種不相同的振動辦法：
?、俣€氧原子沿分子軸，向相反方向振動，即兩個氧在振動中一起抵達(dá)振動的最大值和平衡值，而此刻分子中的碳原子靜止不動，因此其振動被叫做對稱振動。
?、趦蓚€氧原子在垂直于分子軸的方向振動，且振動方向相同，而碳原子則向相反的方向垂直于分子軸振動。因為三個原子的振動是同步的，又稱為變形振動。
?、廴齻€原子沿對稱軸振動，其間碳原子的振動方向與兩個氧原子相反，又叫反對稱振動能。在這三種不相同的振動辦法中，判定了有不相同組別的能級。
CO2激光的激起進(jìn)程：CO2 激光器的工作物質(zhì)是CO2、He、N2、Xe的混合氣體，激光由CO2分子發(fā)射，其它氣體協(xié)助改善激光器的工作條件，提高激光器輸出功率水平和使用壽命，輸出波長：λ=10.6μm，CO2激光器是輸出功率最高的氣體激光器，有連續(xù)輸出50kW;脈沖輸出10^12W的激光器。
CO2激光器的結(jié)構(gòu)
1、激光管
通常由三部分有些構(gòu)成： 放電空間(放電管)、水冷套(管)、儲氣管。放電管通常由硬質(zhì)玻璃制成，通常選用層套筒式構(gòu)造。它可以影響激光的輸出以及激光輸出的功率，放電管長度與輸出功率成正比。
在必定的長度范圍內(nèi)，每米放電管長度輸出的功率隨總長度而添加。通常而言，放電管的粗細(xì)對對輸出功率沒有影響。
水冷套管的和放電管相同，都是由硬質(zhì)玻璃制成。它的效果是冷卻作業(yè)氣體，使得輸出功率安穩(wěn)。
儲氣管與放電管的兩端相連接，即儲氣管的一端有一小孔與放電管相通，另一端通過螺旋形回氣管與放電管相通。它的效果是可以使氣體在放電管中與中循環(huán)活動，放電管中的氣體隨時交流。
2、光學(xué)諧振腔
光學(xué)諧振腔由全反射鏡和有些反射鏡構(gòu)成，是 CO2激光器的主要構(gòu)成。光學(xué)諧振腔通常有三個效果：操控光束的傳達(dá)方向，進(jìn)步單色性;選定形式;增加激活介質(zhì)的作業(yè)長度。
最簡單常用的激光器的光學(xué)諧振腔是由相向放置的兩平面鏡(或球面鏡)構(gòu)成。CO2激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡選用由K8 光學(xué)玻璃或光學(xué)石英加工成大曲率半徑的凹面鏡，在鏡面上鍍有高反射率的金屬膜——鍍金膜，使得波長為10.6μm的光反射率達(dá) 98.8%，且化學(xué)性質(zhì)安穩(wěn)。
3、電源及泵浦
泵浦源可以供給能量使作業(yè)物質(zhì)中上下能級間的粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)。關(guān)閉式 CO2 激光器的放電電流較小，選用冷電極，陰極用鉬片或鎳片做成圓筒狀。30～40mA 的作業(yè)電流，陰極圓筒的面積 500cm2，不致鏡片污染，在陰極與鏡片之間加一光欄。
CO2激光器的優(yōu)點
1、輸出功率范圍較大，國外已用100KW激光焊機(jī)進(jìn)行焊接。閉管二氧化碳激光器可有幾十瓦的連續(xù)輸出功率，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他的氣體激光器，橫向流動式的電激勵二氧化碳激光器則可有幾十萬瓦的連續(xù)輸出。此外橫向大氣壓二氧化碳激光器，從脈沖輸出的能量和功率上也都達(dá)到了較高水平，可與固體激光器媲美。
2、能量轉(zhuǎn)換效率高，二氧化碳激光器的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30～40%，這也超過了一般的氣體激光器。
3、利用CO2分子的振動-轉(zhuǎn)動能級間的躍遷的，有比較豐富的譜線，在10微米附近有幾十條譜線的激光輸出。近年來發(fā)現(xiàn)的高氣壓二氧化碳激光器，甚至可做到從9～10微米間連續(xù)可調(diào)諧的輸出。
4、它的輸出波段正好是大氣窗口，即大氣對這個波長的透過率較高。并具有輸出光束的光學(xué)質(zhì)量高，相干性好，線寬窄，工作穩(wěn)定。
5、具有較好的方向性、單色性和較好的頻率穩(wěn)定性。而氣體的密度小，不易得到高的激起粒子濃度，因而，CO2氣體激光器輸出的能量密度通常比固體激光器小。
6、能以脈沖方式或連續(xù)方式工作，焊接范圍廣，既能用來焊接微型件，也能焊接較厚的工件。
7、輸出波長為10.6m，正落在8--14m的大氣窗口之間，在距離傳輸方面有獨特的優(yōu)點。
8、氣體純度要求低，一般只要工業(yè)純度二氧化碳?xì)怏w即可。
9、激光器與電源可集成在一套系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計簡單。
10、使用壽命長。
CO2激光器的缺點
CO2激光器的變換功率是很高的，但最高也不會超越 40%，這就是說，將有 60%以上的能量變換為氣體的熱能，使溫度增加。而氣體溫度的增加，將致使激光上能級的消激起和激光下能級的熱激起，這都會使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)削減。并且，氣體溫度的增加，將使譜線展寬，致使增益系數(shù)降低。特別是，氣體溫度的增加，還將致使 CO2 分子的分解，降低放電管內(nèi)的 CO2 分子濃度。這些要素都會使激光器的輸出功率降低，乃至發(fā)生“溫度猝滅” 。
以上內(nèi)容就是小編今天帶給大家的CO2激光器原理、結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點，希望對您有用。一般而言，二氧化碳激光的工作物質(zhì)是由二氧化碳、氦、氮氣所組成的混合物。氮氣作為緩沖氣體以及它的分子共鳴地傳遞刺激能量給二氧化碳分子。其輸出功率和能量大，效率高可達(dá)到15%~25%。它的商品器件連續(xù)輸出功率可達(dá)萬瓦量級，已廣泛用來打孔、切割、焊接和熱處理，在工業(yè)應(yīng)用上是一種比較理想的激光器。
傳統(tǒng)的固體激光器通常采用高功率氣體放電燈泵浦，其泵浦效率約為3%到6%。泵浦燈發(fā)射出的大量能量轉(zhuǎn)化為熱能，需采用笨重的冷卻系統(tǒng)，不可消除的熱透鏡效應(yīng)使光束質(zhì)量變差。加之泵浦燈的壽命約為400小時，操作人員需花很多時間頻繁地?fù)Q燈，中斷系統(tǒng)工作，使自動化生產(chǎn)線的效率大大降低。與傳統(tǒng)燈泵浦激光器比較，二極管泵浦固體激光器提高了轉(zhuǎn)換效率、壽命和光束質(zhì)量。YAG激光器輸出波長為1.06μm，較CO2激光波長小1個數(shù)量級，因而更適合此類金屬的激光熔覆。
資料來自于：鋼鐵裁縫之焊接、集賢網(wǎng)