CO2雷射器具有光束質量好、轉換效率高、輸出功率大、運行成本低、既能連續輸出又能脈衝輸出等眾多優點，在雷射焊接、切割、表面改性等領域有著廣泛的套用。
基本介紹
- 中文名：高功率 CO2雷射器
1概述,2分類,橫流 CO2雷射器,軸快流 CO2雷射器,擴散冷卻板條 CO2雷射器,3高功率 CO2雷射器諧振腔的發展趨勢,4 90°束轉動不穩腔,不失調稜鏡腔,
1概述
隨著雷射技術的不斷發展，高功率雷射器在工業加工及國防領域得到重要的套用。高功率 CO2雷射器具有光束質量好、轉換效率高、輸出功率大、運行成本低、既能連續輸出又能脈衝輸出等眾多優點，在雷射焊接、切割、表面改性等領域有著廣泛的套用。
高功率 CO2雷射器的發展概況
自從 1964 年帕特爾發明了第一台 CO2雷射器以來，CO2雷射器的發展十分迅速，各種實用化的 CO2雷射器不斷出現，雷射器的輸出功率亦越來越高。目前，放電激勵CO2雷射器的輸出功率已經達到幾萬瓦，電光轉換效率為 10%～25%。在 CO2雷射器技術業已相當成熟的同時，新的激勵技術與諧振腔技術仍在不斷湧現，以期實現體積小、重量輕、功率大、光束質量好、壽命長、使用穩定、可靠、方便的器件。從而，使 CO2雷射器技術進入到一個嶄新的發展階段。
高功率 CO2雷射器是工業套用中功率最大、種類最多、套用廣泛的一類常用的氣體雷射器。按結構分類：根據氣體流動方向、放電方向和光軸方向的相互位置不同，可分為橫向流動（簡稱橫流）CO2雷射器和軸向流動（簡稱軸快流）CO2雷射器兩大類，此外還有擴散冷卻板條 CO2雷射器。
2分類
橫流 CO2雷射器
橫流 CO2雷射器目前主要採用三軸正交結構，即氣流方向、放電方向和光軸方向三者相互垂直。
橫流 CO2雷射器的最大特點是：
可以獲得體積均勻的輝光放電，因而可獲得很大的雷射輸出功率。工作原理：雷射器殼內的風機驅動混合工作氣體橫向通過放電激勵區域，通過在電極間加上直流電壓使工作氣體產生輝光放電。這种放電激勵使CO2分子產生能級間的躍遷，當粒子從高能級向低能級躍遷時，放出光子，光子在反射鏡之間來回反射振盪，產生雷射。橫流CO2雷射器增益體積大，單腔可以實現均勻分布的多模光斑輸出，採用摺疊腔或用選模光闌可以實現低階模輸出。多模橫流CO2雷射器主要用於材料的表面改性，如雷射 表面熱處理、雷射熔凝強化、雷射熔覆等，低階模橫流 CO2雷射器主要用於鋼鐵行業、武器裝備中厚鋼板的雷射深熔焊接等。
國外橫流CO2雷射器的最大輸出功率達到了 30kW，商品化產品達到了 15kW，如武鋼進口了 8kW 橫流 CO2雷射器用於厚鋼板的雷射拼焊，美國光譜物理的 820 型橫流 CO2雷射器光束質量好，可用於切割領域。國內在 90 年代，有華中科技大學、上海光機所、湖南大學等單位完成 10kW 橫流CO2雷射器的研製，但是，目前國內在高光束質量以及電源技術等方面制約了橫流 CO2雷射器在切割及厚板焊接方面的套用。高功率高光束質量的雷射諧振腔設計一直是橫流CO2雷射器研究中的一個重點和難點。
軸快流 CO2雷射器
快速軸流 CO2雷射器是由放電管、電極、諧振腔、電源及快速流動氣體循環系統
（風機、熱交換器）等組成。快速軸流CO2雷射器的氣流方向和雷射束輸出方向都是一致的。快速軸流 CO2雷射器的一個顯著的優點是其模體積和激活體積具有軸對稱性，二者有良好的匹配，能得到較高的電光轉換效率。
國外軸快流 CO2雷射器已發展得相當成熟，已形成 1000W-20kW 產品系列，並在雷射切割或焊接加工上得到廣泛套用。軸快流CO2雷射器的放電激勵方法也由原來的直流激勵發展到射頻激勵，射頻激勵可以實現大放電管徑的均勻穩定放電，研究提取大直徑放電管內的增益，並實現高光束質量的雷射輸出的諧振腔，對於開發緊湊型的軸快流CO2雷射具有重要的意義。
擴散冷卻板條 CO2雷射器
擴散冷卻板條 CO2雷射器結構小巧，光束質量高，不需要氣體熱交換器，光學損耗低，熱穩定性非常高，氣體消耗低，沒有氣體流動，諧振腔光學器件不會污染，使其在高功率雷射加工中具有廣泛套用前景。1990 年 Nowark 等人用射頻激勵擴散冷卻大功率CO2雷射器技術獲得了 500W 的雷射功率輸出，1992 年 Hall 等人在世界上首次報導了射頻激勵擴散冷卻千瓦輸出 CO2雷射器，1993 年 Yeldon 等人提出了一種新的圓筒狀徑向多通道擴散冷卻 CO2雷射器，1993 年 Lapucci 等人提出了一種三單元無側壁板條波導CO2雷射器技術，1994 年 Ehrlichmann 等人提出了一種環形非穩腔結構，利用同軸放電形成的環形增益與環形非穩腔匹配，獲得 1kW 雷射輸出。國際上德國 Rofin-Sinar 已經開發出了數千瓦級的射頻激勵擴散型冷卻 CO2雷射器系列。國內有許多研究機構如華中科技大學，北京理工大學，中國科學院電子所，江蘇新潮科技，上海雷射所，浙江大學等在板條結構、射頻電源和光腔方面進行很多基礎研究工作。
擴散冷卻板條 CO2雷射器內部無氣體流動，且不用密閉氣體放電管，與軸流 CO2雷射器比，擴散冷卻板條 CO2雷射器的結構非常緊湊。 擴散冷卻板條 CO2雷射器的諧振腔為穩定—非穩混合諧振腔，不同於普通的球面鏡雷射諧振腔，其理論研究和試驗加工都是非常複雜，一直是擴散冷卻板條 CO2雷射器的一個研究難點。
3高功率 CO2雷射器諧振腔的發展趨勢
光學諧振腔的構想始於 50 年代後期，並對雷射器的發明起了十分重要的作用。迄今，在常規雷射器中，光學諧振腔仍是實現反饋、選擇振盪模式和提供輸出耦合作用的主要器件。除具有常規光腔功能外，對高功率雷射諧振腔的主要要求是：
(1) 高的提取效率，以能充分利用激活介質的儲能，實現高功率雷射輸出。
(2) 高光束質量。要求能在不明顯降低雷射輸出功率前提下，有高的輸出光質量。因此，對高功率雷射諧振腔摒棄了常規的小孔選模等以犧牲輸出功率換取高光束質量的方法，而應當在對劣化光束質量的各種因素進行分析基礎上，提出改善光束質量的新方法。
(3) 大的動態工作範圍，在一定的泵浦功率範圍內，輸出光束參數保持不變。
(4) 高穩定性，包括對腔鏡失調不靈敏、有高的機械穩定性和對熱擾（介質熱效應、腔鏡和光學元件的熱變形）的穩定性等。
隨著強雷射技術的迅速發展，高功率雷射諧振腔的研究工作也取得了很大進展， 針對不同工作介質和套用要求，國內外研究工作者提出了一些新型光腔，如多摺疊穩定腔、900束轉動不穩腔、不失調稜鏡腔、非球面雷射諧振腔、非均勻反射腔、梯度相位鏡腔、相位共軛腔、含衍射光學元件腔、二元光學諧振、周期光柵諧振腔等來改善光束質量。
多折雷射諧振腔
(1) 單程諧振腔
單程諧振腔結構，主要由輸出鏡、光闌和尾鏡組成。在放電條件和腔長一定的情況下，尾鏡曲率半徑 12m，光闌孔徑 20mm，透過率 18.8%的輸出鏡，TEM02模的輸出功率可達 1.2kW 以上，並能長時間穩定工作。
(2) V 型二折腔
V 型二折諧振腔是最簡單的摺疊腔，由尾鏡、轉折鏡、輸出鏡組成。華中科技大學研製的 5000W 橫流 CO2雷射器使用V 型諧振腔結構，在適當的參數設定下，可獲得低階模輸出。
(3) N 型三折腔
N 型三折諧振腔由一個尾鏡、兩個轉折鏡、一個輸出鏡組成。文獻將 N 型穩定諧振腔套用於高頻激勵 CO2雷射器，獲得了大於 1.5kW 的低階模輸出，輸出光束的模式為 TEM00+TEM01，遠場全發散角為 1.63mrad，腰斑直徑為 14mm，功率輸出不穩定性<±3%。
(4) U 型諧振腔
U 型諧振腔由輸出鏡、兩個轉折鏡、尾鏡組成，其中兩片轉折鏡與光軸成 45º。文獻在具有雙放電通道、放電區的氣體流速為 80 m/s 的 5kW 橫流 CO2雷射器上採用了該型光腔，腔長 3.2 m，尾鏡曲率半徑為 8m，輸出視窗透過率為 40%，在5kW 多模和 3kW 低階模長達 10 小時的連續運轉中，模式穩定，功率不穩定度 1.0%。
(5) 五折諧振腔
五折諧振腔最簡單的結構，其中有6塊鏡片，在實際套用時由於鏡的數量多，整個諧振腔的調整會很困難，任何一塊鏡子的失調都將導致無法輸出雷射。
因此文獻使用改進的五折諧振腔結構，此種結構可有效的減低諧振腔的失調性能，提高腔的穩定性，該諧振腔總腔長為7米，尾鏡的曲率半徑為15米，有效孔徑Φ45mm，轉折鏡有效反射面積45mm ×90mm，輸出鏡透過率T=72%，在腔內不加光闌的情況下，得到最大1550W的雷射輸出，模式以基模為主，含有較弱的低階模成分。
(6) 七折諧振腔
按照簡單的摺疊腔的設計思路，七折腔會出現 8 個鏡子，實際套用中很困難。文獻設計的七折光學諧振腔系統僅需四塊腔鏡，機械結構簡單、調整工作量大大減少，光學諧振腔的穩定性也高，具有實用性。支撐諧振腔的光橋位於雷射器的殼體內部的真空室里，整個光橋和全部反射鏡都是水冷，保證了光腔的穩定性。為了防止光腔失調時雷射束燒壞放電室的部件及造成放電起弧和抑制高階橫模的振盪，全反射平面鏡上只有三個分立的圓形反射區。
(7) 方形摺疊諧振腔
ML-108 雷射加工系統使用方形摺疊式非穩腔，其光軸、放電方向和氣體流動方向互成 90º，混合氣體從腔外側垂直於光軸和放電極方向高速流入腔中心。該腔由三個轉折鏡將光腔延長，增大了輸出功率並改善了光束質量，減小了雷射器的幾何尺寸。
綜上所述，通過採用摺疊腔延長了諧振腔的長度，提高了光束質量，但加大了諧振腔的調整難度，降低了諧振腔的抗失調穩定性。因此高功率雷射器的光束質量改善一直是一項難度較大的課題，設計新型光學諧振腔是改善高功率橫流 CO2雷射光束質量的重要手段。
4 90°束轉動不穩腔
沿氣流方向的增益介質分布不均勻性是高功率流動型氣體雷射器的固有特性，因此，要獲得良好的光束質量輸出，雷射器的諧振腔必須採用一種具有勻化增益介質特性的新型的光學諧振腔。俄羅斯聖.彼得堡大學 Yu.A.Anan'ev 在 1979 年提出光束轉動概念，1986 年美國空軍武器實驗室 Paxton 和 Latham Jr.提出了實心光束輸出的 90°束轉動不穩腔（UR90 腔），成功地用於 CO2雷射器上。
UR90 腔具有很高的角向模式鑑別能力，輸出光束質量接近衍射極限，且對傾斜擾動具有抑制能力，能量抽取效率高，特別適合環柱形增益介質，結構緊湊合理。UR90腔引起了國內外廣大高能雷射器研究者的注意，並在 CO2雷射器、氧碘化學雷射器和氟化氫化學雷射器中獲得了套用。中科院上海光機所、國防科技大學等單位對UR90 腔的套用進行深入的研究。但是，UR90 腔的腔鏡眾多，結構複雜，鏡面面型複雜，對於設計、加工和裝配技術要求都很高，影響 UR90 腔在工業雷射器中的套用和推廣。
不失調稜鏡腔
長期以來，人們通過各種途徑改善雷射輸出不穩定性問題。經研究發現，角隅稜鏡和直角圓錐稜鏡可以改善雷射諧振腔的穩定性。美國加利福尼亞州大學的研究人員研究角隅稜鏡諧振腔的模式，美國紐奧良大學研究人員通過理論和試驗方法研究角隅稜鏡反射鏡的偏振特性，台灣國立交通大學的研究人員研究 90°圓錐雷射諧振腔的失調特性，印度 Bharat Electronics Limited 的 V.S.Srikanth 提出帶偏振輸出的角隅稜鏡諧振腔的新裝置。國內武漢軍械士官學校的程勇等提出了角隅定向稜鏡作為諧振腔鏡的“免調試固體雷射裝置”，並與中科院安徽光機所的研究人員共同研製了“定向稜鏡諧振腔準分子雷射器”，定向稜鏡轉動允許失調角為±21°，在近場附近具有相干平頂式的均勻光場，遠場具有能量集中的光場分布，壓縮了光束分散角，改善和提高了光束質量。浙江大學研究了採用受激布里淵散射（SBS）作 Q 開關，用角隅稜鏡和普通反射鏡一起構成的位相共軛諧振腔。武漢大學和中國工程物理研究院套用電子學研究所分析了角錐稜鏡雷射諧振腔的基本特性。中國工程物理研究院雷射聚變研究中心分析了角錐稜鏡陣列“準”位相共軛特性的原理，採用模擬計算的方法，驗證了角錐稜鏡陣列對低頻波前畸變的抑制作用。
角隅稜鏡和直角圓錐稜鏡雷射諧振腔能夠提高雷射諧振腔的穩定性，獲得較高光束質量的雷射輸出，但是由於光束通過稜鏡時吸收光能，且散熱冷卻困難，不適宜高功率雷射器和高能雷射器的套用。於是，華中科技大學的研究人員提出了直角內圓錐面反射鏡雷射諧振腔，並於 2005 年在 TEA CO2雷射器上進行了試驗研究，其輸出脈衝能量與常規平凹腔基本一致，而直角內圓錐面反射鏡雷射諧振腔具有非常好的抗失調性能和方向穩定性，獲得比常規平凹腔更大的基模模體積，輸出光束近場分布為均勻的平頂光束。2006 年，套用直角內圓錐面反射鏡在橫流 CO2雷射器上進行了試驗研究，獲得較好的光束質量的雷射輸出。
