二氧化碳激光器,可称“隐身人”,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,用于激光切割,焊接,钻孔和表面处理。
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。
人们已用它来“打”出原子核中的中子。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。
最普通的二氧化碳激光器是一支长1 米左右的放电管。它产生的激光是看不见的,在砖上足以把砖头烧到发出耀眼的白光。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,这是最强的物质处理激光。
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。
如麦克斯韦-波尔兹曼分布定律所说,在等离子里,分子呈现多种激发态。。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。
二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。放电管通常是由玻璃或石英材料制成,里面充以CO2气体和其他辅助气体(主要是氦气和氮气,一般还有少量的氢或氙气);电极一般是镍制空心圆筒;谐振腔的一端是镀金的全反射镜,另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。
当在电极上加高电压(一般是直流的或低频交流的),放电管中产生辉光放电,锗镜一端就有激光输出,其波长为10.6微米附近的中红外波段;一般较好的管子。一米长左右的放电区可得到连续输出功率40~60瓦。CO2激光器是一种比较重要的气体激光器。这是因为它具有一些比较突出的优点:
第一:它有比较大的功率和比较高的能量转换效率。一般的闭管CO2激光器可有几十瓦的连续输出功率,这远远超过了其他的气体激光器,横向流动式的电激励CO2激光器则可有几十万瓦的连续输出。此外横向大气压CO2激光器,从脉冲输出的能量和功率上也都达到了较高水平,可与固体激光器媲美。CO2激光器的能量转换效率可达30~40%,这也超过了一般的气体激光器。
第二:它是利用CO2分子的振动-转动能级间的跃迁的,有比较丰富的谱线,在10微米附近有几十条谱线的激光输出。近年来发现的高气压CO2激光器,甚至可做到从9~10微米间连续可调谐的输出。
第三:它的输出波段正好是大气窗口(即大气对这个波长的透过率较高)。除此之外,它也具有输出光束的光学质量高,相干性好,线宽窄,工作稳定等优点。因此它在国民经济和国防上都有许多应用,如应用于加工(焊接、切割、打孔等),通讯、雷达、化学分析,激光诱发化学反应,外科手术等方面。
二氧化碳激光器内的气体并非纯二氧化碳,通常是以下几种气体的混合:
二氧化碳(CO2):10-20%
氮气(N2):10-20%
氦气(He):其余内容
具体气体的配比根据应用目的的不同而有所改变。
民用:因为二氧化碳激光器能达到的功率非常高,经常用来做工业的切割机,而低功率的激光器常常用来雕刻。此外,由于水在二氧化碳激光器的发光频率极容易挥发,因此也常常被用来做激光嫩肤,磨皮等激光手术。
军用:由于大气层对红外线的阻挡能力很弱,因此常被用来做激光武器。
关于二氧化碳激光器的检定规程,可以参考中华人民共和国国家标准《二氧化碳激光治疗机》(GB 11748-2005)中的相关内容,以及中华人民共和国机械行业标准《二氧化碳激光器主要参数测试方法》(JB/T 9490-2013)。以下是基于这些标准整理的二氧化碳激光器检定规程的概述:
确保二氧化碳激光器的性能符合相关标准和规定,保证其在使用中的安全性、稳定性和有效性。
二氧化碳激光器的检定项目主要包括:
1、外观与结构检查
检查激光器的外观是否有损坏、变形或腐蚀。
检查激光器的结构是否完整,各部件连接是否牢固。
2、电气性能检定
起辉电压:测试使激光管内工作气体击穿产生辉光放电的瞬时电压。
工作电压:测量激光管在给定工作电流下稳定工作时的管压降。
工作电流:测量激光器的实际工作电流,确保其在额定范围内。
内部布线:检查激光器的内部布线是否符合安全标准,防止电气故障。
3、光学性能检定
输出功率:测量激光器在给定工作电流下的输出功率,确保其达到额定值。
光束质量:检查激光器的光束发散角、光束半径等参数,确保光束质量符合要求。
激光辐射安全:测试激光器的激光辐射水平,确保其在安全范围内,防止对人体造成伤害。
4、其他性能检定
电光转换效率:测量激光器的电光转换效率,评估其能源利用效率。
工作寿命:测试激光器在给定工作条件下连续运转的时间,评估其使用寿命。
1、外观与结构检查
使用目视检查方法,对激光器的外观和结构进行全面检查。
2、电气性能检定
使用高精度电压表、电流表等仪器,按照相关标准和规定进行测试。
对于起辉电压和工作电压,应逐渐调节电源输出电压,直至达到激光管的击穿电压或工作电压,并记录读数。
对于工作电流,应使用电流表直接测量激光器的实际工作电流。
3、光学性能检定
使用功率计、光束质量分析仪等仪器,按照相关标准和规定进行测试。
对于输出功率,应逐渐调节电源输出电流,记录不同电流下的输出功率,并绘制输出功率-电流曲线。
对于光束质量,应使用光束质量分析仪测量光束发散角、光束半径等参数。
4、其他性能检定
电光转换效率可通过测量激光器的输入电功率和输出功率来计算。
工作寿命可通过在给定工作条件下连续运转激光器,并记录其输出功率随时间的变化来评估。
二氧化碳激光器的检定周期应根据其使用频率、工作环境和重要性等因素确定。一般建议每年至少进行一次全面检定,以确保其性能稳定可靠。
在检定过程中,应详细记录各项测试数据和结果,并编写检定报告。检定报告应包括激光器的基本信息、检定项目、测试方法、测试数据、检定结论等内容,并签字盖章确认。
1、安全第一:在检定过程中,应严格遵守相关安全规定,佩戴好防护用品,防止激光辐射和其他潜在危险。
2、专业操作:检定工作应由具备相应资质和经验的专业人员进行,确保测试结果的准确性和可靠性。
3、设备维护:在检定前后,应对激光器进行适当的维护和保养,确保其处于良好的工作状态。
请注意,以上规程仅供参考,具体检定工作应根据实际情况和相关标准、规定进行。