劉玉麟

[摘要]介紹CO₂激光器工作氣體的組成及工作原理,闡述TLF12000t激光器的工作氣體組成參數(shù)及其雜質(zhì)氣體對(duì)激光輸出功率的影響。

[關(guān)鍵詞]CO₂激光器 氣體混合比

中圖分類號(hào):TN₂文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0920026-02

一、前言

邯鋼冷軋廠酸軋生產(chǎn)線采用的是從德國(guó)米巴赫公司引進(jìn)的激光焊機(jī)。此激光焊機(jī)使用TLF12000t大功率CO₂激光器。本文將從試驗(yàn)上研究TLF12000t激光器的工作氣體參數(shù)及其放電參數(shù)對(duì)激光輸出功率的影響,得出不同氣體工作氣體組成比份、雜質(zhì)氣體對(duì)電極放電和激光輸出功率的關(guān)系,為該激光器日后的維護(hù)奠定基礎(chǔ)。

二、CO₂激光器工作氣體的組成

CO₂激光器的工作物質(zhì)就是是由He、CO₂、N₂組成的具有一定壓力和一定比份的混合氣體,混合氣體的參數(shù)對(duì)激光器的輸出功率具有重要的影響。

CO₂氣體激光器,顧名思義,靠CO₂氣體形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光發(fā)射。但是單純的CO₂氣體并不能獲得高功率的穩(wěn)定的激光振蕩,這是什么原因呢?我們知道,CO₂分子處于不斷振動(dòng)中,其基本振動(dòng)形式有三類,即對(duì)稱振動(dòng)、形變振動(dòng)和反對(duì)稱振動(dòng)。這三種振動(dòng)分別對(duì)應(yīng)CO₂分子不同的能級(jí),對(duì)稱振動(dòng)對(duì)應(yīng)激光下能級(jí),形變振動(dòng)對(duì)應(yīng)激光基態(tài)能級(jí),反對(duì)稱振動(dòng)對(duì)應(yīng)激光上能級(jí),如圖1所示。正是由于非對(duì)稱振動(dòng)的最低能級(jí)的壽命比對(duì)稱振動(dòng)的要高,即是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí),所以CO₂分子本身非常適合于激光運(yùn)行。

我們知道,產(chǎn)生激光振蕩的根本是在激光上能級(jí)和下能級(jí)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn),為了大大增強(qiáng)CO₂分子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),必須要對(duì)上能級(jí)進(jìn)行選擇激發(fā)。這通常采用加入輔助氣體N₂氣來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)镹₂氣含有2個(gè)原子,能夠?qū)崿F(xiàn)橫向振動(dòng),而且其振動(dòng)的最低能態(tài)與CO₂分子上能級(jí)的能態(tài)非常接近,也處于亞穩(wěn)態(tài)。這樣就很容易將能量傳遞給CO₂分子的上能級(jí),形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)CO₂氣體和N₂氣混合在一起,當(dāng)高壓放電時(shí),氣體中的許多自由電子高速運(yùn)動(dòng),與N₂氣發(fā)生碰撞,N₂分子就被激發(fā)到振動(dòng)能級(jí)上,并被保持比較長(zhǎng)的時(shí)間,積累能量。如果受激的N₂分子與處于基態(tài)的CO₂分子發(fā)生碰撞,由于基態(tài)CO₂分子沒有振動(dòng)能,N₂分子的能量將很快轉(zhuǎn)移給CO₂分子,并激發(fā)CO₂分子到激光上能級(jí),并釋放沒有振動(dòng)能的N₂分子。所以對(duì)CO₂激光上能級(jí)的選擇性激發(fā)將大大增強(qiáng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)率。

在激光上能級(jí)的粒子經(jīng)受激發(fā)射后,迅速轉(zhuǎn)移到激光下能級(jí),激光下能級(jí)的壽命很短,粒子通過自發(fā)輻射,從激光下能級(jí)迅速轉(zhuǎn)移到(010)能級(jí)。但是(010)能級(jí)是亞穩(wěn)態(tài)的,能級(jí)壽命比較長(zhǎng),所以粒子從(010)能級(jí)轉(zhuǎn)移到基態(tài)就非常困難,由于(010)能級(jí)對(duì)應(yīng)CO₂分子的形變振動(dòng),就稱形變振動(dòng)是CO₂激光器的瓶頸。解決這個(gè)問題的方法是采用第二種輔助氣體,即He氣(如圖2所示)。He的質(zhì)量很輕,與其他氣體碰撞后很容易獲得能量,與玻璃管或熱交換器碰撞又容易失去能量,因此表現(xiàn)出很好的熱傳導(dǎo)性。處于形變振動(dòng)的CO₂分子和He原子碰撞后,CO₂分子失去能量,返回到基態(tài),重新參與激光振蕩的循環(huán),而He原子獲得能量,通過與玻璃管或熱交換器碰撞的碰撞將能量轉(zhuǎn)移出去。

處于形變振動(dòng)的最低能量的(010)態(tài)又會(huì)造成激光振蕩的另一個(gè)問題,因?yàn)樘幱谛巫冋駝?dòng)的最低能量的(010)態(tài)的能量非常的低,接近于0,很容易受到熱激發(fā)的影響。當(dāng)CO₂分子的溫度超過373K,CO₂氣體分子之間的熱碰撞將激發(fā)CO₂氣體分子位于形變振動(dòng)的最低能量的(010)態(tài),這樣,參與激光激發(fā)的這個(gè)能態(tài)就被大量的粒子所占據(jù),無法釋放,這樣激光振蕩的循環(huán)就被打破了。為了獲得高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和高的激光增益,CO₂分子的溫度必須小與373K。所以CO₂氣體激光器必須要有冷卻系統(tǒng)。

三、CO₂激光器工作氣體壓力和混合比對(duì)激光器輸出功率的影響

從以上敘述可知CO₂氣體激光的能級(jí)微觀結(jié)構(gòu)決定了CO₂激光器的工作物質(zhì)除了CO₂氣體外還必須含有N₂和He氣。實(shí)際上其他氣體如CO、Xe、H₂O等也能幫助激光器提高輸出功率,但是出于工程技術(shù)的考慮,大功率工業(yè)激光器一般都不加這些氣體。CO₂、N₂和He三種混合氣體就構(gòu)成了CO₂激光器工作氣體的組成,這三種氣體的氣壓和混合比都對(duì)激光器的輸出有很大的影響。下面討論這兩個(gè)方面的影響。

(一)工作氣體壓力的影響

射頻電源是通過輝光放電將電能耦合到工作氣體中的,而在輝光放電中,電子獲得的能量是與分子的平均自由程和場(chǎng)強(qiáng)E的大小成正比。當(dāng)分子的平均自由程增加時(shí),氣體的壓力P降低,那么,場(chǎng)強(qiáng)與壓力的比值E/P就決定了電子的動(dòng)能。如果電子的動(dòng)能與原子電離能相當(dāng),大部分的電子和原子的碰撞將造成電離,從而大部分的電能就轉(zhuǎn)換為電離能,只有小部分的電能能轉(zhuǎn)換為氮分子的激發(fā)能。于是在這種情況下,電離過程超過了激發(fā)過程,那么激光器的增益將非常的低。如果E/P非常的低,氮分子的激發(fā)將很強(qiáng),電離化過程比較弱,但是這意味著必要的自由電子的產(chǎn)生率低,將不足以維持由復(fù)合所造成的損耗,由于自由電子數(shù)很低造成激光器的增益也很低。這樣如果E/P值是在一個(gè)合適的數(shù)值,如10V/cmTorr,將出現(xiàn)高的電子數(shù)目和強(qiáng)的氮分子的激發(fā)的最優(yōu)狀態(tài)。一般地,壓強(qiáng)P約為100mbar,即大氣壓強(qiáng)的十分之一。

(二)氣體混合比的影響

單位體積激光等離子體的輻射功率與CO₂分子的密度成正比,因此CO₂分子的含量越多,激光的輸出功率就越高。

對(duì)于氮?dú)夥肿右彩沁@樣,由于必須要有一個(gè)氮?dú)夥肿觼砑ぐl(fā)一個(gè)CO₂分子,所以通常CO₂分子和氮?dú)獾暮繋缀跸嗟?。雖然N₂能增加CO₂激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度,提高輸出功率。但是不能無限增加N₂的比例,應(yīng)為N₂增加比例,雖然增加了激發(fā)CO₂的速率,但是與此同時(shí)降低了CO₂分子密度,使激發(fā)的CO₂分子數(shù)目仍不能增高多少。其次,N₂分子和氣體放電中產(chǎn)生的氧原子(主要由CO₂分子離解產(chǎn)生)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成NO、N₂O等雜質(zhì)氣體,將焠滅CO₂分子,并且會(huì)改變混合氣體的放電特性。因此CO₂和N₂之間有最佳配比關(guān)系,主要與放電管的直徑有關(guān)。焊機(jī)CO₂激光器的放電管直徑為24.5mm,CO₂與N₂之比約為1:4。

氦氣的含量對(duì)激光器的運(yùn)行影響非常重要,在混合氣體中加入大量的He可以大幅度的增加輸出功率,其增加功率的作用表現(xiàn)為:

1.增加氣體熱導(dǎo)率,降低工作氣體溫度。這是由于He比較輕,在與氣體分子碰撞過程中容易得到能量而轉(zhuǎn)移到器壁,進(jìn)行冷卻。

2.增加電子密度的同時(shí)維持較高電子溫度,有利于增加CO₂分子的激發(fā)速率。

3.增加氮?dú)獾募ぐl(fā)速率,從而增加泵浦速率。

4.增加CO₂分子激光作用下能級(jí)的馳豫速率,可以釋放CO₂分子,可以增加泵浦速率。

所以氦氣含量越高,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)越容易,激光輸出功率越高。但是氦氣含量不能無限制的增高,因?yàn)橐坏┰黾雍獾暮?CO₂分子的含量就會(huì)降低,從而降低激光功率。

可見,以上分析表明,CO₂,氮?dú)?氦氣的含量應(yīng)該有一個(gè)最佳的比例,實(shí)驗(yàn)表明,最優(yōu)化的含量為氦氣70～80%,其余為CO₂和氮?dú)狻?/p>

(三)其他雜質(zhì)氣體對(duì)CO₂激光輸出的影響

CO₂激光器除了以上的三種工作氣體外,實(shí)際上工業(yè)提供的氣體不可能是100%的純,還含有別的雜質(zhì)氣體,這些雜質(zhì)氣體將對(duì)CO₂激光器的運(yùn)行造成一定的好的或差的影響。下面分別敘述這些氣體雜質(zhì)的影響。

H₂和H₂O:

H₂和H₂O對(duì)激光能級(jí)的下能級(jí)的弛豫速率非?？?可以增加泵浦速率,從而增加輸出功率。但是H₂和H₂O使得激光能級(jí)的下能級(jí)的弛豫速率非?？斓耐瑫r(shí)也構(gòu)成了破壞粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的效果,因此H₂和H₂O的含量稍高,又反而使得輸出功率下降。由于H₂和H₂O的含量要求控制在比較小的范圍內(nèi),往往很難掌握激光器在最佳比例下工作。由于在CO₂高純氣體中一般含有水蒸氣,所以CO₂激光器就沒有專門的氣瓶來供給激光器H₂和H₂O。

O₂:

O₂的在CO₂激光器中起到雙重作用,既能加速CO還原為CO₂氣體,也存在有害作用,它容易形成負(fù)離子,影響CO₂分子的激發(fā),降低輸出功率。

NO:

NO通過自身的碰撞形成負(fù)離子,將降低電子密度,在含量為萬分之一時(shí)影響到輸出功率。

N₂O:

N₂O對(duì)激光器的輸出功率影響是比較大的,它一方面通過碰撞馳豫,增大CO₂分子激光下能級(jí)的消激發(fā)速率,另一方面降低氣體放電的電子密度,都會(huì)使得激光輸出功率降低。N₂O的含量為十萬分之一時(shí)就能影響到激光輸出功率。

CO:

CO可以增加CO₂氣體分子的符合率,從而對(duì)增加激光輸出功率有利。但是如果CO氣體含量太高,CO分子將獲得較多的激發(fā)態(tài)能量,其中一部分激發(fā)態(tài)能量將不能形成為有效的激光能量,所以將降低激光器的輸出功率。

有機(jī)物:

有機(jī)物對(duì)CO₂激光器的輸出功率的影響是很復(fù)雜的,目前還沒有詳盡的描述。總的說來,將對(duì)CO₂激光器輸出不利,降低其輸出功率。

通過以上各個(gè)小節(jié)的分析,我們了解了CO₂激光器各個(gè)工作氣體的作用,但是氣體之間的比例應(yīng)該如何選擇,現(xiàn)在還沒有定量的計(jì)算公式。影響比例的數(shù)值的因素很多,包括氣體的總壓、放電管的直徑和長(zhǎng)度、諧振腔的結(jié)構(gòu)、輸出反射鏡的透過率、激勵(lì)電源形式等。只有一般性的規(guī)律。根據(jù)這些規(guī)律,參考現(xiàn)有激光器的最佳工作氣體比例,結(jié)合設(shè)計(jì)的激光器諧振腔參數(shù),可以估計(jì)出一個(gè)粗略的比例,然后在實(shí)驗(yàn)上作比較,較快定出一個(gè)合適的比例。

四、總結(jié)

激光器的工作氣體組成對(duì)激光器是激光器輸出功率影響是很大的,本文主要闡述了工作氣體組成比份及其雜質(zhì)氣體對(duì)激光輸出功率的影響。試驗(yàn)得出:雖然激光器的工作氣體的比份大大影響激光的輸出功率,但是并不是非常的敏感,在比較大的一定的適應(yīng)范圍內(nèi)(<5%),對(duì)激光器輸出功率的影響是不大的。對(duì)激光器輸出功率起主要影響作用的是工作氣體的純度和雜質(zhì)含量,這就要求我們?cè)谌粘５募す馄骶S護(hù)工作中要切實(shí)保證工作氣體的純度,以免對(duì)生產(chǎn)和設(shè)備造成不良影響。