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激光器知识


射频二氧化碳激光器整机工作原理

浏览: 180次 2019-12-02

Q-300全名为“射频激励扩散冷却板条波导二氧化碳激光器”,其采用射频电源作为泵浦源,两块长方形金属板条平行放置,中间间隔约几毫米,不同激光器间隔不同。其中一块电极板通过金属外壳接地,命名为负极板,一块通过射频馈入器件和射频电源相连,命名为正极板。两个全反射镜安装在两金属板条两端,组成激光器谐振腔,用于提取激光。正负极板和激光腔镜安装在密封的金属腔体内部,金属腔体通常采用铝合金材料。激光工作气体,正负电极板,激光腔镜密封在金属腔内。射频电源功率通过特制的馈通器导入电极板,电离电极板之间的工作气体,产生增益物质,激光输出通过安装于极板两端的腔镜提取,激光光束从密封腔体上的窗口输出,窗口使用镀增透膜的ZnSe镜片密封,既可以高效提取激光能量,又可以稳定可靠高真空密封腔体。正极板和负电极板内部有水路,两种极板均需通水强制冷却。其中正极板的水路需要特殊设计,以保证正极板和外部绝缘,并顺畅通水。Q-300激光器原理示意图如下,示意图没有画出极板的冷却水路和与正负极板相连的电感线圈:

Q-300金属射频二氧化碳激光器工作原理图

Q-300金属射频二氧化碳激光器工作原理图

-散热

注入的射频功率,电离CO2工作气体产生激光,同时大约80%的射频功率变为热量积聚在放电区。积聚在放电区的废热,直接传递到金属放电极板,放电极板中的流动的冷却水把废热带走,保护放电极板不发生形变,保证激光功率的稳定性。


-光束整形

Q-300射频二氧化碳激光器的谐振腔在两个方向结构的不对称决定了激光器输出的光束,在腔外传输时的不对称。腔外光束为椭圆光斑,X和Y方向的光斑大小,光束发散角不同,并且X方向有旁瓣光束。Q-300激光器整形系统,先使用柱透镜把光束变为圆光束,然后聚焦,在焦点位置利用空间滤波器去除旁瓣光束,最后再准直。通过上述方法,把光束变为圆对称准高斯基模光束。


-偏振

Q-300的放电区平行于激光器的底板方向,其输出光束为线偏振光,偏振方向平行于底板方向。 如果需要使用圆偏振光,可以在光路中增加相位延迟器件,如相位延迟反射镜。


-后向反射光束隔离原理


在金属射频二氧化碳激光器应用于高反射材料的加工时,需要在光路中插入后向反射光束隔离器。其原理如下:首先激光光束入射到对P偏振光完全透射,对S光完全反射的器件,如布鲁斯特窗,然后入射到一 个45度相位延迟器件,如45度相位延迟反射镜,然后入射到聚焦镜,进行激光加工。P光经高反材料反射后,先后两次经过相位延迟反射镜,变为S光,入射到布鲁斯特窗时,无法透射,被全部反射, 不能回到激光器中。布鲁斯特窗和45度相位延迟镜组成的单向光路传输器件,就是一种光束隔离器。

45度相位延迟镜原理图




-光束传输光路搭建和光学器件的保护

一般情况下,激光光束通过扩束然后聚焦的方式到达材料,进行激光加工。对于切割机光路模式, 激光光束通过两片可以移动的45度反射镜,入射到聚焦镜上进行材料加工。对于振镜打标机光路模式 (后聚焦),激光光束先入射到扩束镜,然后入射两块振镜片,然后经聚焦场镜,实现小范围的精确 快速加工。 加工区要有良好的排气装置,以保证废气不会污染镜片。从激光器出口到聚焦镜,要安装可靠的 光路密封装置,必要时光路密封装置内吹气(洁净的空气或者氮气)进行保护。

光路上各个器件,在调试安装时要小心操作,不能污染到器件表面,同时,安装时不可使镜片承 受过大的机械应力。


-射频电源

斯派特激光的Q-300射频二氧化碳激光器由一个81.36MHz的射频电源驱动。射频激光器电源电路使用48V直流电源供电,通过控制信号 (如PWM信号)控制输出功率的大小。首先使用一个晶振产生81.36MHz的射频信号,然后通过功放电 路,产生高功率射频输出。 射频电源可以提供激光器状态指示,如正常工作,温度,流量,电压等信号,通过观察信号灯的状态,判断激光器的状态。


-制冷系统和制冷水温设定


合理适当的制冷对于Q-300激光器的正常工作至关重要。由于注入的射频功率大部分变成了废热, 所以,需要匹配的制冷系统对激光器进行制冷。根据环境温度和湿度的不同,制冷水温设定范围为 21~30度,流量不小于6.5L/min。 制冷水温设定时,要参考环境温度和湿度,防止激光器结露。如果激光器表面发生结露,会对激 光器造成不可逆的伤害,严重影响激光器的寿命。制冷水温,要高于空气的露点。比如,如果露点为 22度,制冷水温要设置为23度或者更高。 当然,如果设置的制冷水温过高,高于建议范围,比如35度,会造成放电区产生的废热不能有效 导出,造成激光功率降低,增加射频电源故障的概率。 制冷冷却水,必须使用去离子的纯水。如果使用自来水,会造成水路结垢,腐蚀水路的问题,从 而对激光器造成致命的伤害。 不要在冰点附近的环境中运行激光器,制冷水中可能存在的冰晶,会对激光器水路冲击,影响激 光器的寿命。在储存激光器时,要排空激光器水路中的水,防止水在存放过程中腐蚀水路,或者水路 结冰导致水路被胀破,造成激光器报废。


-调制信号和脉宽调制方法

射频二氧化碳激光器接受外部输入的控制信号,调制激光器的输出功率。根据输出信号的脉宽和频率,开关射频电源,得到相应的激光脉冲输出。对于Q-300激光器,最大占空比为60%。调Q频率和脉冲宽度的关 系如下:

调Q频率和脉冲宽度的关系公式



其中,W为调制脉冲宽度,单位为µs,Q为调制频率,单位为KHz。比如,5KHz频率,占空比为60%,根据上述公式,计算W=60%*1000/5=120µs。



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