一、CO2激光器的工作物质
❖ 分子的内能：电子运动、原 子间的振动、整体转动
❖ CO2激光器中CO2分子跃迁 发生在基态电子的不同振转 能级之间
❖ 振动能级：V1V2lV3
对称 V1 弯曲 V2 反对称 V3 l为弯曲振动的角量子数
❖ 转动能级
不存在纯振动， 振动时一定处 于某种转动之 中
❖ 红宝石的特点
在410nm和550nm有很强很宽的吸收谱线，可充 分利用光能
化学组成和晶体结构稳定，硬度高、强度大、导 热性好
阈值高 单位体积内产生粒子数反转所需的最小输 入能量高，三能级系统，半数以上的抽运才能实 现粒子数反转，需要较大的泵浦光能
温度影响大 50度以上功率减小，300度温度猝灭
❖ 导光系统的保护（人身和镜面）
光束方向改变
YAG 激光传输方式 --光纤传输
Nd:YAG Laser Beam Delivery
Laser
分光装置
扫描光路
§2.5.4 工业激光加工系统
激光加工设备
主要部件
辅助部件
激光器
导光系统
冷却系统
加工头
工件装夹
光路保护装置
控制系统
工件运动系统
辅助材料
整体旋转，转 动的能量是量 子化的
❖ 振转能级形成 CO2光谱的精 细结构，200多 条谱线
激发过程（基态000跃迁到上能级001）
❖ 慢速电子碰撞激发 CO2(000)+eCO2(001)+e
❖ 串级跃迁 CO2(00V3)+ CO2(000)CO2(00V3－1)+ CO2(001) （V3>1）
功率高；4、光束质量差(高阶模或环形模)
轴流式CO2激光器
Fast-Axial Flow Lasers -Theory Of Operation
PRC Laser
The Carbon Dioxide Fast Axial Flow Laser
Schematic diagram of a fast axial flow CO2 laser
二、固体激光器的结构
第一台红宝石激光器的结构
Haas YAG Laser
Cross Section
The Nd:YAG Solid State Laser
Modern CW lamp pumped
Nd:YAG laser
Schematic diagram of an Can also use diode
红宝石棒成本高
发散角大3～10mrad、总效率低0.2~0.5%
2.掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)
❖ YAG: Y3Al5O12（Y2O3 和 Al2O3按3：5克分子比）
❖ Nd3+ 代替Y3+: Y2.97Nd0.03Al5O12
❖ Nd3+：四能级系统
❖ 两条吸收谱线：750nm和 810nm
大功率激光焊接机
武钢Si钢在线激光焊接机
武钢Si钢在线激光焊接机
板材激光焊接机
激光焊接聚焦头
金刚石锯片激光焊接机
金刚石锯片激光焊接车间
全自动焊接机
半自动焊接机
金刚石刀片制造系统
缸套激光热处理机
汽车缸套激光热处理机
北京切诺基缸套在线激光热处理机
河南孟州缸套激光热处理车间
激光热处理汽车缸套
聚焦
反射聚焦与透射聚焦
Beam focusing
0.6mm
Reflective 4kW Nd:YAG beam print ~150mm focal length
Transmissive
Power density at focus ~1,500,000 W/cm2
Copyright © 2003, TWI Ltd
❖ 危害：损坏镜片、工作物质“温度猝灭” ❖ 冷却方式：全腔式、分离式
六 调Q技术
❖ Q激光器的品质因子
定义：
Q 2 W
dW
其中W为腔内储能，dW为每秒损耗的能量， v为频率
❖ Q：反映了谐振腔的损耗，Q越大，起 振越容易，损耗越小
❖ 调Q：改变腔的Q因子，使激光输出窄 脉冲
调Q过程和方法
❖ 调Q方法：
World Centre for Materials Joining Technology
双焦点的获得
三、匀光系统
❖ 目的：功率密度均匀分布的矩形光斑 ❖ 形式：
离焦光斑 振动镜 旋转多棱镜 积分镜
匀光系统
四、导光系统
❖ 目的：将光束引入到加工位置 ❖ 形式：
光束转动和光学关节臂 光纤传输系统 分光系统
§2.5 工业激光加工设备
§2.5.1 固体激光器 §2.5.2 气体激光器 §2.5.3 激光加工的光学系统 §2.5.4 工业激光加工系统
工业激光器
❖ 固体激光器
红宝石 铷玻璃 Nd3+:YAG
❖ 气体激光器
CO2 CO
能量输出方式：脉冲，连续
激光器的组成
❖ 激光工作物质：粒子数反转，提供受激放大， 具备亚稳态的多能级系统
一、固体激光器的工作物质
1、红宝石：Al2O3晶体中掺 入少量Cr3+
❖ Cr3+是激活粒子， Al2O3晶体是基体
❖ 三能级系统：
基态E1：4A2 激发态E3：4F1 、 4F2 亚稳态E2: E、2A
❖ 由于谱线竞争，激光 多产生于R1线 (694.3nm)
❖ 两个吸收能带
❖ 410nm(蓝光带) ❖ 550nm(绿光带)
机械转镜 电光开光 声光开光
M1
M2
转镜调Q
§2.5.2 气体激光器
❖ 增益介质为气体, 可以是原子，分子或离子 ❖ He-Ne激光器 ❖ CO2 分子激光器:
高功率:25kw,欧洲尤里卡计划100kw 高效率：量子效率达40％，电光总效率15％，
YAG：2～3％ 高光束质量，连续稳定输出低阶模 长波长：非金属吸收，金属强烈反射
特点：晶体的各向异性，吸收特性与光的偏 振态有关；离子能级受晶格场的影响
玻璃. 掺杂浓度高，均匀
缺点：热性能，机械性能较差, 谱线较宽 特点：掺杂离子浓度大，一般为1010-1020cm-3
激光上能级寿命较长（亚稳态），一般10-3—10-4 s 储能大 泵源：一般用光泵激励 激光器组成： 固体工作物质，谐振腔，泵浦光源系统
Modern RF excited fast Axial flow CO2 laser
❖ 快轴流(200~500m/s)和慢轴流(0.1~1m/s)
❖ 特点:
光束、气流、电场同向 分段激励 单位长度输出功率大 500w/m，体积大大减小 输出光束质量好：基模或低阶模 可连续或脉冲输出
三、影响CO2激光器功率输出的因素
Nd:YAG laser
lasers for pumping
Copyright © 2003, TWI Ltd
World Centre for Materials Joining Technology
三、泵浦光源
❖ 要求：电光效率高、发光谱线与工作物质的 吸收谱线一致、功率大、亮度高、寿命长
❖ 光源种类：
氯化钾(KCl)
CO2激光透射材料性能比较
常用反射材料的反射率
二、聚焦光学系统
❖ 透射聚焦：2kw以下时常用
良好的聚焦性能、小光斑 与工作区域较近、容易污染（气流保护） 热透镜效应
❖ 反射聚焦：可用于大功率
高导热材料、背面冷却 镜面稳定、热畸变小、破坏阈值高 同轴球面聚焦、离轴球面聚焦、校正的离轴球面
❖ 共振转移＋N2(振动能级E(v)与00V3相近) N2(V=1~4)+ CO2(000)N2(V=0)+ CO2(00V3=1~4) V3=1 001 V3>1 再通过串级跃迁到001
弛豫过程（100、020000）
❖ 分两步
100、020010(很快) 010000(很慢，加快气体)
❖ 下能级尽快排空，维持粒子数反转
惰性气体放电灯：Kr灯、Xe灯 金属蒸汽灯：汞弧灯、碱金属蒸汽灯 半导体发光二极管（激光和非相干光）
❖ 灯光形状：直线型或螺旋形 ❖ YAG主要用氙(Xe)灯或氪(Kr)灯
四、聚光器
❖ 又称泵浦腔，和光源一起组成光泵浦系统
五 冷却系统
❖ 热量来源：
电光转换效率30～60％ 工作物质无辐射跃迁 聚光器内壁吸收泵浦光 激光工作物质吸收的多余的泵浦光线 反射镜片吸收的部分光
上下料
质量监控
3D laser cutting and welding
激光加工系统图片
大功率激光切割机
VECTOR数控激光切割机
激光切割聚焦头
数控5轴激光切管机
Profile 数控激光切割机
中小功率激光焊接机
小型通用激光焊接机
首饰激光焊接机
中小功率激光焊Biblioteka 机LWY50C4多光束激光焊接机 多光束激光焊接聚焦系统
❖ 工作气体的成分
CO2产生激光 N2：共振激发，同时加速弛豫过程 He：抽孔下能级（碰撞），导热性好、散热 不同结构具有不同最佳比例 气体“老化”：分解、空气滲入、不同的解决方法
❖ 温度的影响：温度升高，下能级粒子数增多，功率绛低 ❖ 放电电流的影响：一定范围内，电流增大功率增大；电
流过大加速CO2分解和温度上升，功率下降
❖ E0(光激励)E3 E2(10－3s) (10.6um)E1 E0
E*10-3cm-1 750nm 810nm 10600nm
22
20
E3
18
16
12
E2
10
8
6