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(yùn)動(dòng)，即分子里電子的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)抉擇了分子的電子能態(tài);二是分子里的原子振動(dòng)，即分子里原子盤繞其平衡位置不停地作周期性振動(dòng)——并抉擇于分子的振動(dòng)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(yùn)動(dòng)抉擇了分子的翻滾能態(tài)。分子運(yùn)動(dòng)極端凌亂，因此能級(jí)也很凌亂。
CO2分子為線性對(duì)稱分子，兩個(gè)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(yùn)動(dòng)著，要繞其平衡位置不停地振動(dòng)。依據(jù)分子振動(dòng)理論，CO2有三種不相同的振動(dòng)辦法：
①二個(gè)氧原子沿分子軸，向相反方向振動(dòng)，即兩個(gè)氧在振動(dòng)中一起抵達(dá)振動(dòng)的最大值和平衡值，而此刻分子中的碳原子靜止不動(dòng)，因此其振動(dòng)被叫做對(duì)稱振動(dòng)。
②兩個(gè)氧原子在垂直于分子軸的方向振動(dòng)，且振動(dòng)方向相同，而碳原子則向相反的方向垂直于分子軸振動(dòng)。因?yàn)槿齻€(gè)原子的振動(dòng)是同步的，又稱為變形振動(dòng)。
③三個(gè)原子沿對(duì)稱軸振動(dòng)，其間碳原子的振動(dòng)方向與兩個(gè)氧原子相反，又叫反對(duì)稱振動(dòng)能。在這三種不相同的振動(dòng)辦法中，判定了有不相同組別的能級(jí)。
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(zhǎng)：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(chǔ)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(zhǎng)度與輸出功率成正比。
在必定的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，每米放電管長(zhǎng)度輸出的功率隨總長(zhǎng)度而添加。通常而言，放電管的粗細(xì)對(duì)對(duì)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(chǔ)氣管與放電管的兩端相連接，即儲(chǔ)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(dòng)，放電管中的氣體隨時(shí)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(gè)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(zhǎng)度。
最簡(jiǎn)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(zhǎng)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(jí)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(diǎn)
1、輸出功率范圍較大，國(guó)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(dòng)式的電激勵(lì)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(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)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(duì)這個(gè)波長(zhǎng)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(zhǎng)為10.6m，正落在8--14m的大氣窗口之間，在距離傳輸方面有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。
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(jì)簡(jiǎn)單。
10、使用壽命長(zhǎng)。
CO2激光器的缺點(diǎn)
CO2激光器的變換功率是很高的，但最高也不會(huì)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(jí)的消激起和激光下能級(jí)的熱激起，這都會(huì)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(huì)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(diǎn)，希望對(duì)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?dú)馑M成的混合物。氮?dú)庾鳛榫彌_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(jí)，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(shí)，操作人員需花很多時(shí)間頻繁地?fù)Q燈，中斷系統(tǒng)工作，使自動(dòng)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(zhǎng)為1.06μm，較CO2激光波長(zhǎng)小1個(gè)數(shù)量級(jí)，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)