激光焊機工作氣體對輸出功率影響因素探求

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及其雜質氣體對激光輸出功率的影響。

[關鍵詞]CO₂激光器 氣體混合比

中圖分類號:TN₂文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920026-02

一、前言

邯鋼冷軋廠酸軋生產線采用的是從德國米巴赫公司引進的激光焊機。此激光焊機使用TLF12000t大功率CO₂激光器。本文將從試驗上研究TLF12000t激光器的工作氣體參數及其放電參數對激光輸出功率的影響,得出不同氣體工作氣體組成比份、雜質氣體對電極放電和激光輸出功率的關系,為該激光器日后的維護奠定基礎。

二、CO₂激光器工作氣體的組成

CO₂激光器的工作物質就是是由He、CO₂、N₂組成的具有一定壓力和一定比份的混合氣體,混合氣體的參數對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氣體形成粒子數反轉而產生激光發射。但是單純的CO₂氣體并不能獲得高功率的穩定的激光振蕩,這是什么原因呢?我們知道,CO₂分子處于不斷振動中,其基本振動形式有三類,即對稱振動、形變振動和反對稱振動。這三種振動分別對應CO₂分子不同的能級,對稱振動對應激光下能級,形變振動對應激光基態能級,反對稱振動對應激光上能級,如圖1所示。正是由于非對稱振動的最低能級的壽命比對稱振動的要高,即是亞穩態能級,所以CO₂分子本身非常適合于激光運行。

我們知道,產生激光振蕩的根本是在激光上能級和下能級之間產生粒子數反轉,為了大大增強CO₂分子的粒子數反轉,必須要對上能級進行選擇激發。這通常采用加入輔助氣體N₂氣來實現。因為N₂氣含有2個原子,能夠實現橫向振動,而且其振動的最低能態與CO₂分子上能級的能態非常接近,也處于亞穩態。這樣就很容易將能量傳遞給CO₂分子的上能級,形成粒子數反轉。當CO₂氣體和N₂氣混合在一起,當高壓放電時,氣體中的許多自由電子高速運動,與N₂氣發生碰撞,N₂分子就被激發到振動能級上,并被保持比較長的時間,積累能量。如果受激的N₂分子與處于基態的CO₂分子發生碰撞,由于基態CO₂分子沒有振動能,N₂分子的能量將很快轉移給CO₂分子,并激發CO₂分子到激光上能級,并釋放沒有振動能的N₂分子。所以對CO₂激光上能級的選擇性激發將大大增強粒子數反轉率。

在激光上能級的粒子經受激發射后,迅速轉移到激光下能級,激光下能級的壽命很短,粒子通過自發輻射,從激光下能級迅速轉移到(010)能級。但是(010)能級是亞穩態的,能級壽命比較長,所以粒子從(010)能級轉移到基態就非常困難,由于(010)能級對應CO₂分子的形變振動,就稱形變振動是CO₂激光器的瓶頸。解決這個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,因此表現出很好的熱傳導性。處于形變振動的CO₂分子和He原子碰撞后,CO₂分子失去能量,返回到基態,重新參與激光振蕩的循環,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移出去。

處于形變振動的最低能量的(010)態又會造成激光振蕩的另一個問題,因為處于形變振動的最低能量的(010)態的能量非常的低,接近于0,很容易受到熱激發的影響。當CO₂分子的溫度超過373K,CO₂氣體分子之間的熱碰撞將激發CO₂氣體分子位于形變振動的最低能量的(010)態,這樣,參與激光激發的這個能態就被大量的粒子所占據,無法釋放,這樣激光振蕩的循環就被打破了。為了獲得高的粒子數反轉和高的激光增益,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。

三、CO₂激光器工作氣體壓力和混合比對激光器輸出功率的影響

從以上敘述可知CO₂氣體激光的能級微觀結構決定了CO₂激光器的工作物質除了CO₂氣體外還必須含有N₂和He氣。實際上其他氣體如CO、Xe、H₂O等也能幫助激光器提高輸出功率,但是出于工程技術的考慮,大功率工業激光器一般都不加這些氣體。CO₂、N₂和He三種混合氣體就構成了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激光器的輸出有很大的影響。下面討論這兩個方面的影響。

(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強E的大小成正比。當分子的平均自由程增加時,氣體的壓力P降低,那么,場強與壓力的比值E/P就決定了電子的動能。如果電子的動能與原子電離能相當,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換為電離能,只有小部分的電能能轉換為氮分子的激發能。于是在這種情況下,電離過程超過了激發過程,那么激光器的增益將非常的低。如果E/P非常的低,氮分子的激發將很強,電離化過程比較弱,但是這意味著必要的自由電子的產生率低,將不足以維持由復合所造成的損耗,由于自由電子數很低造成激光器的增益也很低。這樣如果E/P值是在一個合適的數值,如10V/cmTorr,將出現高的電子數目和強的氮分子的激發的最優狀態。一般地,壓強P約為100mbar,即大氣壓強的十分之一。

(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。

對于氮氣分子也是這樣,由于必須要有一個氮氣分子來激發一個CO₂分子,所以通常CO₂分子和氮氣的含量幾乎相等。雖然N₂能增加CO₂激光器的粒子數反轉密度,提高輸出功率。但是不能無限增加N₂的比例,應為N₂增加比例,雖然增加了激發CO₂的速率,但是與此同時降低了CO₂分子密度,使激發的CO₂分子數目仍不能增高多少。其次,N₂分子和氣體放電中產生的氧原子(主要由CO₂分子離解產生)發生化學反應,形成NO、N₂O等雜質氣體,將焠滅CO₂分子,并且會改變混合氣體的放電特性。因此CO₂和N₂之間有最佳配比關系,主要與放電管的直徑有關。焊機CO₂激光器的放電管直徑為24.5mm,CO₂與N₂之比約為1:4。

氦氣的含量對激光器的運行影響非常重要,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為:

1.增加氣體熱導率,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移到器壁,進行冷卻。

2.增加電子密度的同時維持較高電子溫度,有利于增加CO₂分子的激發速率。

3.增加氮氣的激發速率,從而增加泵浦速率。

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

所以氦氣含量越高,粒子數反轉越容易,激光輸出功率越高。但是氦氣含量不能無限制的增高,因為一旦增加氦氣的含量,CO₂分子的含量就會降低,從而降低激光功率。

可見,以上分析表明,CO₂,氮氣,氦氣的含量應該有一個最佳的比例,實驗表明,最優化的含量為氦氣70～80%,其余為CO₂和氮氣。

(三)其他雜質氣體對CO₂激光輸出的影響

CO₂激光器除了以上的三種工作氣體外,實際上工業提供的氣體不可能是100%的純,還含有別的雜質氣體,這些雜質氣體將對CO₂激光器的運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的影響。

H₂和H₂O:

H₂和H₂O對激光能級的下能級的弛豫速率非常快,可以增加泵浦速率,從而增加輸出功率。但是H₂和H₂O使得激光能級的下能級的弛豫速率非常快的同時也構成了破壞粒子數反轉的效果,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,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,它容易形成負離子,影響CO₂分子的激發,降低輸出功率。

NO:

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

N₂O:

N₂O對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分子激光下能級的消激發速率,另一方面降低氣體放電的電子密度,都會使得激光輸出功率降低。N₂O的含量為十萬分之一時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態能量,其中一部分激發態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。

有機物:

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

通過以上各個小節的分析,我們了解了CO₂激光器各個工作氣體的作用,但是氣體之間的比例應該如何選擇,現在還沒有定量的計算公式。影響比例的數值的因素很多,包括氣體的總壓、放電管的直徑和長度、諧振腔的結構、輸出反射鏡的透過率、激勵電源形式等。只有一般性的規律。根據這些規律,參考現有激光器的最佳工作氣體比例,結合設計的激光器諧振腔參數,可以估計出一個粗略的比例,然后在實驗上作比較,較快定出一個合適的比例。

四、總結

激光器的工作氣體組成對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氣體對激光輸出功率的影響。試驗得出: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范圍內(<5%),對激光器輸出功率的影響是不大的。對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含量,這就要求我們在日常的激光器維護工作中要切實保證工作氣體的純度,以免對生產和設備造成不良影響。