激光焊机工作气体对输出功率影响因素探求

刘玉麟

[摘要]介绍CO₂激光器工作气体的组成及工作原理,阐述TLF12000t激光器的工作气体组成参数及其杂质气体对激光输出功率的影响。

[关键词]CO₂激光器 气体混合比

中图分类号:TN₂文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0920026-02

一、前言

邯钢冷轧厂酸轧生产线采用的是从德国米巴赫公司引进的激光焊机。此激光焊机使用TLF12000t大功率CO₂激光器。本文将从试验上研究TLF12000t激光器的工作气体参数及其放电参数对激光输出功率的影响,得出不同气体工作气体组成比份、杂质气体对电极放电和激光输出功率的关系,为该激光器日后的维护奠定基础。

二、CO₂激光器工作气体的组成

CO₂激光器的工作物质就是是由He、CO₂、N₂组成的具有一定压力和一定比份的混合气体,混合气体的参数对激光器的输出功率具有重要的影响。

CO₂气体激光器,顾名思义,靠CO₂气体形成粒子数反转而产生激光发射。但是单纯的CO₂气体并不能获得高功率的稳定的激光振荡,这是什么原因呢?我们知道,CO₂分子处于不断振动中,其基本振动形式有三类,即对称振动、形变振动和反对称振动。这三种振动分别对应CO₂分子不同的能级,对称振动对应激光下能级,形变振动对应激光基态能级,反对称振动对应激光上能级,如图1所示。正是由于非对称振动的最低能级的寿命比对称振动的要高,即是亚稳态能级,所以CO₂分子本身非常适合于激光运行。

我们知道,产生激光振荡的根本是在激光上能级和下能级之间产生粒子数反转,为了大大增强CO₂分子的粒子数反转,必须要对上能级进行选择激发。这通常采用加入辅助气体N₂气来实现。因为N₂气含有2个原子,能够实现横向振动,而且其振动的最低能态与CO₂分子上能级的能态非常接近,也处于亚稳态。这样就很容易将能量传递给CO₂分子的上能级,形成粒子数反转。当CO₂气体和N₂气混合在一起,当高压放电时,气体中的许多自由电子高速运动,与N₂气发生碰撞,N₂分子就被激发到振动能级上,并被保持比较长的时间,积累能量。如果受激的N₂分子与处于基态的CO₂分子发生碰撞,由于基态CO₂分子没有振动能,N₂分子的能量将很快转移给CO₂分子,并激发CO₂分子到激光上能级,并释放没有振动能的N₂分子。所以对CO₂激光上能级的选择性激发将大大增强粒子数反转率。

在激光上能级的粒子经受激发射后,迅速转移到激光下能级,激光下能级的寿命很短,粒子通过自发辐射,从激光下能级迅速转移到(010)能级。但是(010)能级是亚稳态的,能级寿命比较长,所以粒子从(010)能级转移到基态就非常困难,由于(010)能级对应CO₂分子的形变振动,就称形变振动是CO₂激光器的瓶颈。解决这个问题的方法是采用第二种辅助气体,即He气(如图2所示)。He的质量很轻,与其他气体碰撞后很容易获得能量,与玻璃管或热交换器碰撞又容易失去能量,因此表现出很好的热传导性。处于形变振动的CO₂分子和He原子碰撞后,CO₂分子失去能量,返回到基态,重新参与激光振荡的循环,而He原子获得能量,通过与玻璃管或热交换器碰撞的碰撞将能量转移出去。

处于形变振动的最低能量的(010)态又会造成激光振荡的另一个问题,因为处于形变振动的最低能量的(010)态的能量非常的低,接近于0,很容易受到热激发的影响。当CO₂分子的温度超过373K,CO₂气体分子之间的热碰撞将激发CO₂气体分子位于形变振动的最低能量的(010)态,这样,参与激光激发的这个能态就被大量的粒子所占据,无法释放,这样激光振荡的循环就被打破了。为了获得高的粒子数反转和高的激光增益,CO₂分子的温度必须小与373K。所以CO₂气体激光器必须要有冷却系统。

三、CO₂激光器工作气体压力和混合比对激光器输出功率的影响

从以上叙述可知CO₂气体激光的能级微观结构决定了CO₂激光器的工作物质除了CO₂气体外还必须含有N₂和He气。实际上其他气体如CO、Xe、H₂O等也能帮助激光器提高输出功率,但是出于工程技术的考虑,大功率工业激光器一般都不加这些气体。CO₂、N₂和He三种混合气体就构成了CO₂激光器工作气体的组成,这三种气体的气压和混合比都对激光器的输出有很大的影响。下面讨论这两个方面的影响。

(一)工作气体压力的影响

射频电源是通过辉光放电将电能耦合到工作气体中的,而在辉光放电中,电子获得的能量是与分子的平均自由程和场强E的大小成正比。当分子的平均自由程增加时,气体的压力P降低,那么,场强与压力的比值E/P就决定了电子的动能。如果电子的动能与原子电离能相当,大部分的电子和原子的碰撞将造成电离,从而大部分的电能就转换为电离能,只有小部分的电能能转换为氮分子的激发能。于是在这种情况下,电离过程超过了激发过程,那么激光器的增益将非常的低。如果E/P非常的低,氮分子的激发将很强,电离化过程比较弱,但是这意味着必要的自由电子的产生率低,将不足以维持由复合所造成的损耗,由于自由电子数很低造成激光器的增益也很低。这样如果E/P值是在一个合适的数值,如10V/cmTorr,将出现高的电子数目和强的氮分子的激发的最优状态。一般地,压强P约为100mbar,即大气压强的十分之一。

(二)气体混合比的影响

单位体积激光等离子体的辐射功率与CO₂分子的密度成正比,因此CO₂分子的含量越多,激光的输出功率就越高。

对于氮气分子也是这样,由于必须要有一个氮气分子来激发一个CO₂分子,所以通常CO₂分子和氮气的含量几乎相等。虽然N₂能增加CO₂激光器的粒子数反转密度,提高输出功率。但是不能无限增加N₂的比例,应为N₂增加比例,虽然增加了激发CO₂的速率,但是与此同时降低了CO₂分子密度,使激发的CO₂分子数目仍不能增高多少。其次,N₂分子和气体放电中产生的氧原子(主要由CO₂分子离解产生)发生化学反应,形成NO、N₂O等杂质气体,将焠灭CO₂分子,并且会改变混合气体的放电特性。因此CO₂和N₂之间有最佳配比关系,主要与放电管的直径有关。焊机CO₂激光器的放电管直径为24.5mm,CO₂与N₂之比约为1:4。

氦气的含量对激光器的运行影响非常重要,在混合气体中加入大量的He可以大幅度的增加输出功率,其增加功率的作用表现为:

1.增加气体热导率,降低工作气体温度。这是由于He比较轻,在与气体分子碰撞过程中容易得到能量而转移到器壁,进行冷却。

2.增加电子密度的同时维持较高电子温度,有利于增加CO₂分子的激发速率。

3.增加氮气的激发速率,从而增加泵浦速率。

4.增加CO₂分子激光作用下能级的驰豫速率,可以释放CO₂分子,可以增加泵浦速率。

所以氦气含量越高,粒子数反转越容易,激光输出功率越高。但是氦气含量不能无限制的增高,因为一旦增加氦气的含量,CO₂分子的含量就会降低,从而降低激光功率。

可见,以上分析表明,CO₂,氮气,氦气的含量应该有一个最佳的比例,实验表明,最优化的含量为氦气70～80%,其余为CO₂和氮气。

(三)其他杂质气体对CO₂激光输出的影响

CO₂激光器除了以上的三种工作气体外,实际上工业提供的气体不可能是100%的纯,还含有别的杂质气体,这些杂质气体将对CO₂激光器的运行造成一定的好的或差的影响。下面分别叙述这些气体杂质的影响。

H₂和H₂O:

H₂和H₂O对激光能级的下能级的弛豫速率非常快,可以增加泵浦速率,从而增加输出功率。但是H₂和H₂O使得激光能级的下能级的弛豫速率非常快的同时也构成了破坏粒子数反转的效果,因此H₂和H₂O的含量稍高,又反而使得输出功率下降。由于H₂和H₂O的含量要求控制在比较小的范围内,往往很难掌握激光器在最佳比例下工作。由于在CO₂高纯气体中一般含有水蒸气,所以CO₂激光器就没有专门的气瓶来供给激光器H₂和H₂O。

O₂:

O₂的在CO₂激光器中起到双重作用,既能加速CO还原为CO₂气体,也存在有害作用,它容易形成负离子,影响CO₂分子的激发,降低输出功率。

NO:

NO通过自身的碰撞形成负离子,将降低电子密度,在含量为万分之一时影响到输出功率。

N₂O:

N₂O对激光器的输出功率影响是比较大的,它一方面通过碰撞驰豫,增大CO₂分子激光下能级的消激发速率,另一方面降低气体放电的电子密度,都会使得激光输出功率降低。N₂O的含量为十万分之一时就能影响到激光输出功率。

CO:

CO可以增加CO₂气体分子的符合率,从而对增加激光输出功率有利。但是如果CO气体含量太高,CO分子将获得较多的激发态能量,其中一部分激发态能量将不能形成为有效的激光能量,所以将降低激光器的输出功率。

有机物:

有机物对CO₂激光器的输出功率的影响是很复杂的,目前还没有详尽的描述。总的说来,将对CO₂激光器输出不利,降低其输出功率。

通过以上各个小节的分析,我们了解了CO₂激光器各个工作气体的作用,但是气体之间的比例应该如何选择,现在还没有定量的计算公式。影响比例的数值的因素很多,包括气体的总压、放电管的直径和长度、谐振腔的结构、输出反射镜的透过率、激励电源形式等。只有一般性的规律。根据这些规律,参考现有激光器的最佳工作气体比例,结合设计的激光器谐振腔参数,可以估计出一个粗略的比例,然后在实验上作比较,较快定出一个合适的比例。

四、总结

激光器的工作气体组成对激光器是激光器输出功率影响是很大的,本文主要阐述了工作气体组成比份及其杂质气体对激光输出功率的影响。试验得出:虽然激光器的工作气体的比份大大影响激光的输出功率,但是并不是非常的敏感,在比较大的一定的适应范围内(<5%),对激光器输出功率的影响是不大的。对激光器输出功率起主要影响作用的是工作气体的纯度和杂质含量,这就要求我们在日常的激光器维护工作中要切实保证工作气体的纯度,以免对生产和设备造成不良影响。