Diagram van kooldioxide-lasers

Dit artikel biedt schematische diagrammen van kooldioxide (CO 2 ) lasers.

De meest bruikbare industriële laser voor lassen en snijden is de CO 2 -laser waarin het lasermedium een ​​mengsel is van kooldioxide, stikstof en helium in een typische verhouding van 1: 1: 10 bij een druk van 20-10 torr met een elektrische ontlading van 10-30.000 volt.

De CO2-laser kan een afgesloten buis met gas of stromend gas in de buis hebben. Het stromende gasprincipe verhoogt het vermogen met ongeveer 3 keer dat van het lasermateriaal van het afgedichte buistype. De CO2-laser kan zowel in de gepulseerde als in de continue golfmodus werken en is ontwikkeld om een ​​output te leveren variërend van een paar honderd watts tot meer dan 20 kW. De geproduceerde laserstraal bevindt zich in een verregaand infrarood gebied van het spectrum bij een golflengte van ongeveer 10, 6 μm (106000 A).

De gasstroom in een CO 2 -laser kan zich langs de as van de laserstraal bevinden of dwars daarop met een werkdruk van 80 torr of minder, hoewel een gepulseerde CO2-laserbundel bij atmosferische druk is geproduceerd. Bij beide typen gasstroom wordt aan het ene uiteinde een totaal reflecterende spiegel gebruikt en aan het andere uiteinde gedeeltelijk voor een golflengte van 10, 6 μm, om als een outputvenster te fungeren. Gecoat halfgeleidend materiaal zoals zinkselenide (ZnSe) wordt gebruikt als uitvoervenster voor CO 2 -lasers met een maximale output van enkele kilowatt. Dergelijke materialen worden echter op hogere vermogensniveaus uitgebrand en derhalve wordt een ringvormige metalen spiegel gebruikt om de transmissie te vergemakkelijken.

Een schematisch diagram van een 150 watt CO 2 -laser wordt getoond in Fig. 14.22.

De voorgemengde gassen worden continu in de buis gevoerd die de laserholte vormt. De ontladingsbuis is watergekoeld en een gelijkstroompotentiaal van ongeveer 10 KV wordt gehandhaafd tussen de elektroden. Aan elk einde van de ontladingsbuis is een verstelbare spiegel bevestigd door een flexibele balg aan de buis. Eén spiegel bestaande uit goud afgezet op pyrex of roestvrij staal reflecteert volledig op 10-6 μm, terwijl de spiegel die het uitvoervenster vormt een diëlektrische coating heeft afgezet op een germaniumsubstraat.

Voor hoogvermogen-C02-lasers bestaat de ontladingsbuis uit een aantal buizen geplaatst in een parallelle configuratie met een opstelling voor optisch vouwen van licht door heen en weer reflecties. De trage axiale stroomlasers kunnen een maximaal vermogen van ongeveer 500 watt produceren, omdat 75 - 90% van de ontladingsenergie in het gas wordt gedissipeerd, wat leidt tot oververhitting en ontleding met als gevolg een afnemende output.

Voor hogere output wordt het gas met hoge snelheid door de laserbuis aangedreven door een blazer; dit vermindert het warmteverlies naar de wanden tot een verwaarloosbare hoeveelheid. Terwijl een trage laser met axiale stroming ongeveer 50 - 70 watt per meter laserholte levert, kan de snelle laser met axiale stroming tot 600 watt per meter genereren.

Gaslaserbedrijf:

In een koolstofdioxidelaser worden de CO 2 -moleculen vibratief geëxciteerd door een elektrische ontlading over de laserholte. De directe vibratie-excitatie van CO 2 door een elektrische ontlading is inefficiënt. N 2 accepteert echter effectief energie van de ontlading en de vibrationele energieniveaus van N 2 -moleculen en sommige van die CO 2 -moleculen zijn heel dichtbij. Dat is de reden waarom N2 wordt toegevoegd aan CO 2 en dus wordt CO 2 geëxciteerd door resonante energie-uitwisseling met N2. Dit tweestaps proces is veel sneller en efficiënter dan het proces van directe excitatie van CO 2 .

Overgang van de bovenste vibrationele energietoestand naar het tussenliggende niveau gaat gepaard met de emissie van een foton met een karakteristieke golflengte van 10-6 μm in de infraroodzone van het stralingsspectrum. CO 2 -moleculen op het tussentijdse energieniveau moeten terugkeren naar het grondniveau om het proces te voltooien.

Dit wordt snel bereikt door helium aan het CO 2 - N 2 mengsel toe te voegen; omdat botsing tussen CO 2 -moleculen en He resulteert in de overdracht van overblijvende excitatie-energie naar helium. Deze energie wordt vervolgens verwijderd als restwarmte. Het proces van laseremissie door de val van CO 2 en N 2 door verschillende energieniveaus wordt getoond in Fig. 14.23.

Net als in solid-state lasers, kunnen de gaslasers ook alleen werken door de toestand van populatie-inversie vast te stellen die wordt bereikt door glimontlading met hoge spanning. Maar glimontlading resulteert in instabiliteit bij huidige niveaus boven 300 mA en als de glimontlading verandert in boogontlading, worden thermodynamische omstandigheden vastgesteld en kan er geen lasering plaatsvinden.

Dit kan worden voorkomen in systemen met een hoog vermogen door hulpionisatie door het gebruik van hoogfrequente elektrische stroom bij hoge spanningen. De huidige hoogvermogen C02-lasers werken echter alleen met een gelijkstroom elektrische ontlading zonder het gebruik van hulpionisatie.

Elektrisch geëxciteerde CO 2 -lasers met hoog vermogen tot een continue uitgang van 20 kW met een efficiëntie van 10-15% worden convectief gekoeld; snelle gasstroom wordt gebruikt om de warmte uit de laserholte te verwijderen. Om de bedrijfskosten te minimaliseren, wordt een gas-vloeistof-warmtewisselaar gebruikt en worden de lasergassen in het systeem gerecirculeerd zoals getoond voor een laser met axiale stroom C02 in Fig. 14.24. Slechts een kleine hoeveelheid gas wordt verbruikt als gevolg van de noodzaak van continue verwijdering en aanvulling van een kleine hoeveelheid van het lasergasmengsel om de opbouw van verontreinigingen te voorkomen die worden gegenereerd door de dissociatie van CO 2 en N 2 in de elektrische ontladingen.

CO 2 -lasers kunnen zowel in de gepulseerde golfmodus (PW) als in de continue-golfmodus (CW) werken.

Gepulst vermogen:

Met gepulseerde bundellaser wordt de laspenetratie bepaald door de pulsenergie en duur. Penetratie neemt toe met toename in pulsenergie en duur. De pulsduur moet lang genoeg zijn om geleiding en smelten tot de gewenste diepte mogelijk te maken. Aangezien het bundelvermogen wordt geregeld door de pulsenergie en duur, wordt de energiedichtheid op het werkoppervlak geregeld door focusserende optica.

Penetratie bij pulsbooglassen wordt ook bepaald door materiaaleigenschappen. Voor een gegeven pulsenergie en duur, hoger de thermische diffusiviteit ondieper de penetratie. Krachtige laserstraal, dat wil zeggen een straal met hoge pulsenergie en korte pulsduur, wordt geschikt geacht voor dergelijke materialen met een hoge thermische diffusiviteit en omgekeerd geldt voor materialen met een lage thermische diffusiviteit.

De maximale penetratie die kan worden bereikt met de huidige gepulseerde solid-state laser is slechts ongeveer 1-5 mm en dus kan het proces effectief worden gebruikt voor alleen materialen met een lichte dikte. De relatie tussen procesvariabelen voor gepulseerde lasers met lage capaciteit, indien gebruikt voor het lassen van roestvrij staal, titanium en aluminium, wordt grafisch gepresenteerd in Fig. 14.25.

CO 2 -lasers zijn beschikbaar die pulspieken van 3 KW kunnen produceren met een frequentie tot 2-5 KHz van een nominaal 500 watt motorvermogen.

Continu vermogen:

Continu vermogen laserstraal wordt verkregen van gaslasers. Zulke lasers met een laag vermogen kunnen worden gebruikt voor penetratie op basis van een conventioneel type op geleiding, terwijl de sleutelgatmodus van penetratie alleen kan worden verkregen met hoogvermogenlasers - bij een lassnelheid van meer dan 40 cm / min. Een penetratie van ongeveer 20 mm in gelegeerd staal kan worden verkregen met een 15 KW continue bundel CO2-laser. Zwaardere secties kunnen in twee doorgangen worden gelast, één vanaf elke zijde.

Bij hoogvermogenlasers bestaat de mogelijkheid van ionisatie van de metaaldamp, hetgeen kan leiden tot de vorming van plasma boven het oppervlak van het werkstuk dat de laserstraal kan absorberen met een daaruit volgende vermindering van de penetratiediepte. Dit wordt meestal voorkomen door heliumgas over de vlek te laten stromen om de ionen te vegen die de plasmavorming veroorzaken.

De gaslasers die worden gebruikt voor het lassen zijn momenteel alle 10.6 join-golflengte CO 2 -lasers, omdat ze het meest efficiënt blijken te zijn en het hoogste vermogen produceren. Nd: YAG-laser met zijn specifieke eigenschappen is momenteel de meest gebruikte industriële laser die wordt gebruikt voor lassen.