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金属波导CO2激光器的研制
发表时间:2020-08-11     阅读次数:139     字体:【

实用新型射频激励全金属波导CO2激光器的研制

摘要:目的 探索影响射频激励全金属波导CO2激光器输出功率稳定性的因素。方法 设计具有内循环水冷系统的410 mm×72 mm×88 mm一体化的新型全金属结构,并通过实验研究确定工作气体的总气压、最佳气体混合气压比。结果 当射频输入功率120W,频率为40MHz的情况下,充入气压为总气压10.5kPa的5%的Xe,CO2,N2和He的最佳气体混合气压比为1∶1∶4,最佳输出功率达到14.2W,功率转化效率为11.83%。结论 当气体混合气压比不同,所添加的Xe气压的百分比不同,激光器的输出功率有很大的差别。

关 键 词:射频输入功率;气体最佳混合气压比;LC谐振

输出功率高、体积小的射频激励全金属波导CO2激光器已经在工业加工、科学研究等领域得到广泛应用。为了提高中小功率射频CO2激光器的激光输出特性,针对目前国内射频激励全金属波导CO2激光器的研究、开发和批量生产中所存在的激光器结构和激光输出技术参数等问题,我们设计并研制了410 mm×72 mm×88 mm一体化的新型全金属结构,并进行了最佳总气压、最佳气体混合比的实验研究,在放电长度为410mm,注入射频功率为120 W的射频CO2激光器上,获得了14.2W的基模激光输出,功率转化效率为11.83%。这项研究对于提高国内全金属射频激励波导CO2激光器的批量生产,替代进口产品有益。

1 激光器的结构

我们设计的小功率射频激励全金属波导CO2激光器结构如图 1 所示[1-2,4],主体由铝合金一次挤压拉制成形。其中,放电通道侧挡板外部散热片及设置的体内水冷却通道孔为一体,实现了良好的金属热扩散效应。上下电极由多个氧化铝陶瓷珠分别固定在主体内腔的上槽和下槽中,并与主体绝缘和主体腔内侧挡板构成3.5 mm×3.5 mm×400 mm的长方形射频放电通道上下电极间并联两个或多个谐振电感,形成LC高Q值的谐振电路与射频电源震荡频率匹配,保证了射频电压在放电通道的均匀分布,实现了射频功率的最大转换效率。

图1 激光横剖面结构示意图
Fig.1 Structure schematic drawing of Laser cross section

其中①为激光器主体,②为激光器的内循环水冷通道孔,③,④为上下电极,⑤为放电区侧挡板,⑥为陶瓷定位球,⑦为散热片,⑧为RF射频放电区,⑨为储气室。

2 工作气体对激光功率的影响分析

射频激励波导CO2激光器的能量转换效率与放电电动势E和工作气体的压力P有关,E/P值为一常数:

其中E为射频电场的电动势,V为放电压降,d为放电长度,P为工作气体的总压。

E/P值低时能量转换效率高,但E/P值不能过低,E/P值过低会造成气体不容易维持正常放电,因此E/P值存在一个最佳值[3]。根据我们的设计:V≈280V,

d=0.35cm,选择 E/P=10 ~12,将该数据代入上式,则

通过计算可得最佳总气压约9.7 kPa。

目前CO2激光器都充入3种气体即 CO2,N2,He的混合气体封闭式的CO2激光器常用的气体混合气压比为 CO2∶N2∶He为1∶1∶4,加入适当的 Xe气可使器件输出功率增加25%~30%能量转换效率提高10% ~15%。Xe气的电离电位较低(约为12.1eV),可以增加放电电离度减少高能电子增加低能量电子,降低电子温度能有效地激励CO2和N2分子的激光能级跃迁。一般充入Xe气的气压值控制在133Pa左右。

综上所述,射频激励波导CO2激光器中工作气体的总气压和气体成份和混合比对激光输出性能有重要影响并存在有最佳值。

3 讨论与结论

本研究对410×72×88 mm3实用新型射频激励全金属波导CO2激光器进行了实验研究。射频输入功率120W,频率为40MHz,通过对工作气体不同的总气压下、不同的混合气体气压比和不同的Xe气压值的试验,获得了激光输出功率与不同总气压及混合气体气压比的变化曲线,如图2,图3所示。

图2 激光输出功率与总气压关系
Fig.2 The relationship of laser output power and total pressure

图2,3曲线为不同气体CO2,N2和He的混合气压比的实验结果,由图2可以看出,当总气压为10.5 kPa,混合气体气压比为1∶1∶4,加入气压值为总气压的5%的Xe气时,激光器最大输出功率为14.2W,并且随工作气体总气压的变化比较平稳,同时得到能量转换效率为11.83%的结果。从图3可以看出:激光器中加入总气压6%的Xe气时激光输出功率随总气压和气体混合比的变化比较平坦,但激光输出功率相对较低。

图3 激光输出功率与总气压的关系
Fig.3 The relationship of laser output power and total pressure

实验结果表明,在不同的总气压下,不同的气体混合比产生不同的激光输出。在一定的总气压下,不同的混合比也对激光输出有一定影响。当气体混合比不同,所添加的Xe的百分比不同,激光器的输出功率有很大的差别。本实验结果有助于全金属射频激励波导CO2激光器的批量生产产品质量的提高,促进国内射频激光器的发展。


 
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