單放電盒5kW橫流CO2激光器氣體流動特性研究

楊衛紅，唐霞輝*，肖龍勝，周泳全

（1.華中科技大學光學與電子信息學院，武漢430074；2.深圳信息職業技術學院機械工程系，深圳518000）

單放電盒5kW橫流CO2激光器氣體流動特性研究

楊衛紅1，唐霞輝1*，肖龍勝1，周泳全2

（1.華中科技大學光學與電子信息學院，武漢430074；2.深圳信息職業技術學院機械工程系，深圳518000）

為了解決傳統雙放電盒橫流5kW CO2激光器雙風道、風速小、體積龐大等問題，研究開發了單放電盒橫流5kW CO2激光器，采用氣體動力學、放電區氣體流場分析的方法，在保證風機強度的前提下根據通風機原理設計了一款鋁質輕型離心風機，風機的進口直徑為382mm，出口直徑為451mm，蝸殼寬度為160mm，并進行了實驗驗證。結果表明，配置該風機的單放電盒的5kW CO2激光器提高了功率穩定性，放電區氣體平均流速從60.8m/s提高到75.5m/s，縮小了弧光放電的面積，改善了近場光斑的強度及均勻性，采用鋁制風機及單放電盒減小了激光器的整體重量和體積。這對CO2激光器向高功率、小體積、緊湊型發展具有重要意義。

激光器；橫流CO2激光器；氣體動力學；離心風機；流場分析

引 言

CO2激光器腔內工作氣體密度低，因為激光的小信號增益正比于反轉粒子數，而CO2激光器工作過程中由于氣體放電電離以及工作時間長，不能時刻保持工作氣體新鮮程度。工作物質密度低是氣體放電激光器輸出功率不高的主要原因之一［1］。提高CO2激光器工作物質的密度的方法中除了穩定工作氣體的溫度之外，最關鍵的還是提高工作氣體的流速。雖然在氣體流道設計中，可以通過拉開電極陰極和陽極間的距離使氣流喉道加大，從而氣流很容易通過，可以獲得更高的注入功率。但是風道設計和風機的能力有關，當極間距離加大后氣流速度會降低，使得工作氣體在放電區停留時間變長，引起工作氣體溫度升高，反而引起激光功率下降。為了讓工作氣體在放電區停留的時間減少從而限制氣體溫度的升高，實現長時間穩定運行，提高氣體風速非常關鍵。中國科學院力學研究所的專家研究了不同氣壓下，氣體流速對激光器輸出功率的影響。結果認為，當氣壓低于11.98kPa時，氣體流速對激光功率的影響不明顯，但當氣壓大于26.66kPa時，氣體流速對激光功率影響顯著并且沒有一定的規律，工作氣壓一定時輸出功率最初隨流速的增加而增加，在某一速率時，輸出功率達到最大值，然后隨流速的增加，又漸漸減小。激光器運行中，要在具體條件下，優化氣體流速與輸出功率之間的關系［2］，然后穩定氣體流速，以實現穩定的高功率輸出。橫流CO2激光器氣體流過放電區的距離較短，功率/風速最優配比為5kW/（75m/s）。以往橫流激光器采用的橫流風機的風速一般停留在60m/s，不能滿足激光器長時間大功率穩定輸出。為了達到風速優化值，華中科技大學激光加工國家工程研究中心開發了HUST-5000型單放電盒5kW橫流電激勵連續CO2激光器，作者利用通風機原理設計了一款實用新型激光器離心風機，實現了風速優化值并且使該激光器輸出功率可穩定在5kW。

1 單放電盒橫流氣體激光器風機參量設計

1.1 橫流CO2激光器氣體流動

圖1為華中科技大學激光加工國家工程中心生產的單放電盒5kW橫流電激勵連續CO2激光器結構圖，其中圖1a為激光器結構圖，圖1b為激光器梯形放電區截面圖。

MARIA指出：使混合氣體在器件中快速流動，就能帶走因氣體放電而殘存的廢熱，從而有利于CO2的1000和0200能級的去空，有利于0001與1000之間形成粒子數反轉，增加10.6μm的激光輻射，MARIA通過能級分析得到：

式中，Pf→∞和Pf→0分別為軸快流激光器放電區軸方向趨于無窮大和趨于0時的最大抽提功率密度；τf為氣體流經放電區的時間；τ1和τ2為碰撞弛豫時間；σ為受激發射截面；I為激光束強度；hν為光子能量；T為氣體絕對溫度。

由（1）式可知，在氣體配比為最佳、氣體流速很大情況下，最大的抽提功率密度的比值隨氣體的流速而線性增加［3］，因此，縮短氣體流經放電區的時間即提高氣體流速是提高橫流激光器功率的有效途徑。

1.2 風機參量設計

離心風機的主要性能參量有：流量、全壓（揚程）、功率、轉速和效率。風機工作時是葉輪帶動氣流一起旋轉產生離心力，使流體獲得能量，因此葉輪是實現機械能轉換為流體能量的主要部件。由于蝸殼形狀和大小的限制，蝸殼內流場存在大量的旋渦和二次流，而這正是造成離心風機效率低、噪聲高的主要原因。因此對于風機的設計關鍵是葉輪和蝸殼的設計，對于葉輪而言就是葉輪進口直徑、出口直徑、葉輪中葉片出口角，以及計算過程中一些參量的選取。而對于蝸殼的設計，關鍵是蝸殼最大張開度的尺寸設計。本節中根據通風機設計原理對葉輪和蝸殼關鍵參量的尺寸進行了分析和計算。

1.2.1 葉輪尺寸計算 風機設計給定條件：風機流量qv=15120m3/h，全壓p=500Pa，風機轉速n= 2800r/min，風機葉輪圓周速率u=873m/s，工作介質密度ρ=0.103 kg/m3。圖2為風機葉輪示意圖，圖3為全壓系數p 與葉輪葉片出口安裝角β間的關系曲線，由=解得=0.6。風機葉輪外徑D2的計算公式如下［4］：

解得D2=451mm。

根據流量系數公式：

1.2.2 蝸殼參量計算 本實驗離心式風機的蝸殼采用矩形截面，設計時蝸殼的寬度比葉輪的出口寬度大，同時蝸殼矩形開口的長度大于蝸殼與葉輪的徑向距離，使得氣流流出葉輪后流場體積得到擴大并促進流速發生相應改變，蝸殼示意圖見圖4。

（1）蝸殼出口最大張開度A

蝸殼最大張開度A由下式計算：

式中，A的單位為mm；m為蝸殼系數，隨風機的比轉速ny而定：

解得ny=6.1，根據蝸殼計算經驗取m=0.2，由（5）式、（6）式計算得A=195mm。

（2）蝸殼寬度B

蝸殼寬度B按經驗公式計算，經驗公式為：

式中，δ為附加余量，取值范圍為0～0.06，低ny取下限，高ny取上限。結果算得B=160mm，風機葉輪及蝸殼實物圖見圖4。

2 實驗設備及方法

2.1 實驗系統

單放電盒橫流5kW CO2激光器氣體流動特性實驗系統包括高功率橫流CO2激光器整機，如圖5所示，該激光器是一種高功率工業用氣體激光器，主要應用于金屬焊接、表面合金化、熱處理等。

2.2 實驗方法及結果分析

2.2.1 風速研究 實驗中風速儀所放位置分別為陽極上沿光軸方向310mm的喉道處、陰極放電針處、光軸方向1230mm放電區中心處以及光軸方向2350mm處［6-11］。將不同氣壓下各測量點風速測量值相加取平均列表，見表1和表2。測量時放電區平均溫度為25℃左右，風速數據為風機開啟至風速穩定每隔15s記錄數據，風速隨氣壓變化關系曲線見圖6。

圖6a中曲線變化平穩，大都集中在71m/s～79m/s范圍，其平均風速為75.5m/s，這與5kW橫流CO2激光器所要求的風速最優值比較接近。而圖6b中風速曲線變化范圍很大，風速最高處可達80.2m/s，而風速最低處僅為17.0m/s，整個放電區平均風速僅為60.8m/s，與5kW橫流CO2激光器所要求的風速最優值相比有差距［10］，這也是激光器不能大功率穩定輸出的原因之一。

2.2.2 放電均勻性研究 5kW橫流CO2激光器屬于大體積放電，其放電均勻性與穩定性是影響注入功率提高的關鍵因素。氣體放電過程中，由于CO2氣體本身的熱分解和熱電離，使得工作氣體中的CO2的含量減少，導致反轉粒子的數量減少，因此激光器輸出功率的下降，縮短激光器的連續運轉時間，產生弧光放電。新風機的采用提高了風速，加速了氣體冷卻速度，有利于保持CO2的含量，降低了放電不均勻性。橫流CO2激光器的直流放電特性與工作氣壓、氣體成分等有關，實驗中采用混合氣體的體積比為V（O2）∶V（N2）∶V（He）=1∶8∶7。對總氣壓分別為7.5kPa，8.0kPa及8.45kPa時進行了放電實驗，圖7為穩定放電的V-i性曲線。可以看出，放電的V-i特性曲線平坦，放電電壓基本穩定，隨電流變化的起伏不大，放電電壓隨氣壓的增加而升高，說明放電屬于正常輝光放電（見圖8）。

相關研究發現有控制排水設施的排水溝排放的氮濃度比無控制排水設施的要低[12]，為此，在農田鋪設地下排水管道，并安裝控制排水閥，與其集水的滲濾排水明溝及溝道出口處水量、水位控制構筑物形成控制排水系統。實現精確調控排水溝渠中的水位，增加田間入滲量，控制農田徑流的排出過程。

2.2.3 環形光斑均勻性研究 在放電條件和輸出功率相同的情況下，采用有機玻璃燒斑法對激光器采用新風機前后非穩環形光斑近場強度進行了比較，燒斑取樣圖見圖9，輸出光闌半徑為16mm的平凹穩定腔離輸出鏡1m處的光斑，光束模式為TEM06模，光斑直徑為29mm。從圖9a和圖9b比較中可以清楚看出，由于新風機對風速的提高及其平穩性的改善，使得諧振腔振蕩模體積兩側處于激活介質區域的有效長度基本相等，因而環形光斑近場強度分布均勻性和幾何形狀對稱性較改善風機前有了明顯改善。

2.2.4 功率特性研究 圖10為5kW橫流電激勵連續CO2激光器8h拷機功率曲線，其中氣壓變化范圍5500Pa～8800Pa，對應原風機的激光器功率曲線變化呈逐步下降趨勢，激光功率不能穩定輸出，且最低值在4kW以下；而采用新的風機激光器功率對應各時間段始終維持在4.8kW～5.5kW之間穩定輸出，其平均功率達到5kW，實現了大功率穩定輸出。按照老風機運轉狀態下激光器的電光轉換效率為13%，可得出新風機的電光轉換效率為18%。從曲線可以明顯看出，新風機對應的激光器功率曲線穩定性為±2%，優于老風機所對應的激光器功率穩定性±3%。

3 結 論

通過對傳統5kW橫流電激勵連續CO2激光器風機設計，并對采用的單放電盒的研究，得出如下結論：

（1）根據橫流5kW CO2激光器工作性能需要，鋁制離心風機參量為：D2=451mm；D1=382mm；B=160mm。

（2）采用新風機的單放電盒5kW橫流CO2激光器通過拷機實驗得出電光轉換效率從13%提高到18%；功率穩定性從±3%提高到±2%。

（3）從拷機實驗可得出：單放電盒5kW橫流CO2激光器風速實現了最優化值，風速平均值為75.5m/s，并且在保證風機強度的前提下采用鋁制風機減輕整個激光器重量。單放電盒的采用減小了激光器的體積。

（4）采用新風機的5kW橫流CO2激光器無論在近場光斑強度、光斑均勻性還是在抑制輝光放電方面都優于配置老風機的5kW橫流CO2激光器。

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Study on gas flow characteristics in 5kW transverse flow CO2laser with single discharge box

YANG Weihong1，TANG Xiahui1，XIAO Longsheng1，ZHOU Yongquan2
（1.School of Optics and Electronics Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Shenzhen Institute of Information Technology，Shenzhen 518000，China）

In order to solve the problem of a traditional 5kW transverse CO2laser with double discharge boxes，i.e.，small wind entrance，low wind velocity and large size，a 5kW CO2transverse laser with single discharge box was developed.Based on analysis of the flow field in the discharge area and gas dynamics，a lightweight aluminum centrifugal fan was designed on the premise of the same fan strength with entrance diameter of 382mm，outlet diameter of 451mm and volute width of 160mm.Then it was validated in experiments.The results show that，comparing with 5kW transverse laser with double discharge boxes，the power stability of 5kW CO2transverse laser with single discharge box is improved.The average wind velocity of discharge area increases from 60.8m/s to 75.5m/s，the arc discharge area is reduced and the near-field intensity and uniformity is improved.The selection of lightweight aluminum fan and single discharge box decreases the weight and volume of the laser.The study is important and instructive for development of compact CO2lasers with high power and small volume.

lasers；transverse flow CO2laser；gas dynamics；centrifugal blower；fluid analysis

TN248.2+2

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.05.007

1001-3806（2014）05-0608-06

國家自然科學基金資助項目（60808005）

楊衛紅（1976-），女，博士研究生，主要研究領域為高功率氣體CO2激光器及其應用。

*通訊聯系人。E-mail：txh1116@hust.edu.cn

2013-10-17；

2013-11-12