CO2 Лазеры / Щелевые Лазеры

 

 

 

ЩЕЛЕВЫЕ CO2 ЛАЗЕРЫ (УГЛЕКИСЛОТНЫЕ) ОТ РОССИЙСКИХ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ (ОСОБЕННОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА)

 

 

Что такое "СО2 Лазеры"? - информация и определения

 

CO2 Лазер - углекислотный лазер, лазер с активной средой на углекислом газе: молекулярный лазер, активной средой которого являются молекулярные газы.

Основой принципа работы СО2 лазера - является передача энергии накачки при помощи молекул Азота N2 к молекулам газа CO2. Данный принцип основан на свойстве переходов между колебательными и вращательными уровнями молекулы CO2. Молекулы Азота N2, в свою очередь, под давлением в несколько десятков тысяч Па (Паскаль), возбуждаются электронами электрического разряда в газовой среде, смеси из газов CO2N2He.

Газовая смесь может иметь различные пропорции, в зависимости от специфики задач и применения CO2 лазера.

 

Внешний вид установки технологического CO2 лазера:

 

 

Накачка гавовой смеси в CO2 лазерах может осуществляться различными типами разрядов:

- Самостоятельным разрядом при помощи электродов, которые расположены непосредственно в емкости с газом, когда накачка осуществляется постоянным током (DC).

- Высокочастотным электромагнитным излучением (RF).

 

Накачка CO2 лазеров при помощи ВЧ электромагнитного излучения имеет ряд преимуществ:

- Отсутствует износ электродов, что обеспечивает более продолжительный срок службы CO2 лезеров, так как не требуется замена данных электродов

- Возбуждение среды проихоит равномерно и однородно, что обуславливает более стабильные характеристики CO2 лазера в различных мощностных диапазонах

- Возможность установки уровня мощности ВЧ электромагнитного разряда, за счет изменения длительности импульса

- Импульсный режим позволяет регулировать как длительность импульса, так и частоту задержки импульсов, что позволяет осуществлять различные режимы работы для CO2 лазеров, расширяя возможности и применение CO2 лазерных установок.

 

Активная среда углекислотного лазера представляет собой газообразную смесь CO2, Азота (N2), Гелия (He). Используются и другие комбинации газов, обусловленные спецификой применения и/или определенными требованиями по характеристикам для CO2 лазеров: в смесь газов добавляют Водород (H2) или Ксенон (Xe). Пропорции газов в газовой смеси CO2 лазеров зависят от конкретных требований к характеристикам лазерного луча, однако концентрация CO2 и N2 в активной среде лазера стотсавляет обычно 5-20%.

 

Из всех существующих лазеров, CO2 лазеры длительного действия - наиболее мощны. КПД CO2 лазера может достигать 20% (отдельные образцы CO2 лазеров могут достигать КПД до 30%), что является самым высоким показателем эффективности среди лазеров на данный момент развития лазерной техники.

 

 

Другими словами: CO2 Лазер - это универсальный высокоэффективный инструмент, способный резать/раскраивать, сваривать, маркировать, обрабатывать большое количество различных материалов и поверхностей за минимальное время и с минимальными затратами.

 

 

 

CO2 лазер - длина волны, частотный спектр и лазерный луч

 

Углекислотные CO2 лазеры излучают в инфракрасном диапазоне (ИК-диапазон). Длина волны составляет от 9,4 до 10,6 мкм.

 

Частотный спектр генерации СО2-лазера имеет достаточно сложный вид. Причиной этого является наличие тонкой структуры колебательных уровней, обусловленной существованием ещё одной степени свободы молекулы СО2 – вращения.

 

Луч CO2 лазера имеет Гауссову форму, распространение в пространстве и фокусировка которого, описывается законами Гауссовой оптики с качеством луча, близким к единице. За пределами резонатора можно генерировать донатову моду, для областей применения CO2 лазеров, требующих более крупных размеров фокуса луча. Данная мода имеет распределение интенсивности ТЕМ 01* и К число К=0,45 или М2=2,2.

 

 

Спектр CO2 лазерного луча

 

 

 

СО2 лазер - оптическая система

Оптическая система CO2 Лазера состоит из следующих основных элементов:

- Отражающая оптика, выпоненяется, в основном, из Меди (Cu).

- Оптическая линза - выходное зеркало, обычно изготавливается из ZnSe, пропускает длину волны в диапазоне 9,4 - 10,6 мкм.

- Выходное окно из ваккумной камеры: часто изготавливается из алмаза, выращенного синтетическим способом. Алмаз имеет высокую степень прозрачности, высокую прочность и очень высокую теплопроводность, что обеспечивает максимальную надежность конструкции в силу не чувствительности к тепловой нагрузке.

- Пространственный фильтр - очищает луч CO2 лазера от боковых мод, осуществляет промежуточную фокусировку луча лазера.

 

 

CO2 лазер - мощностные характеристики

 

Большой интерес к СО2-лазерам объясняется тем, что у данного типа лазера эффективность преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в сочетании с максимально достижимой мощностью и/или энергии импульса значительно превосходят аналогичные параметры других типов лазеров.

 

Коэффициент усиления активной среды СО2-лазера существенно зависит от температуры рабочей смеси. Процессы накачки лазерной смеси и генерации неизменно сопровождается нагревом газа. Температура лазерной смеси в установившемся состоянии пропорциональна мощности энерговыделения в разряде.

 

 

CO2 лазер - особенности и преимущества

 

Сейчас на рынке выпускаются СО2-лазеры с мощностью типично до 10 кВт *, в том числе более 50 типов различных СО2-лазеров с ВЧ-накачкой в диапазоне мощностей от 3 Вт до 5 кВт. При этом газовые лазеры с ВЧ-возбуждением обладают целым рядом преимуществ по сравнению с лазерами, в которых для накачки рабочей среды применяется самостоятельный тлеющий разряд постоянного тока. В частности, их конструкция и технология изготовления проще, а надёжность, ресурс работы, удельные характеристики существенно выше, чем у лазеров с накачкой постоянным током. Это позволяет уменьшить габариты и массу технологических СО2-лазеров мощностью 1 кВт настолько, что становится возможным размещение такого лазера на подвижном манипуляторе промышленного робота.
Сегодня известно большое количество различных конструкций газовых лазеров с ВЧ-возбуждением. Но в основе всего многообразия конструктивных решений лежит SLAB компановка, которая в большинстве случаев удачно совпадает с требованиями, предъявляемыми к активной среде лазера.

CO2 лазер - резонаторы и ососбенности формирования волны

Резонатор является оптической системой, позволяющей сформировать стоячую электромагнитную волну и получить высокую интенсивность излучения, необходимую для эффективного протекания процессов вынужденного излучения возбуждённых частиц рабочего тела лазера, а следовательно, когерентного усиления генерируемой волны. Оптические резонаторы в квантовой электронике не только увеличивают время жизни кванта в системе и вероятность вынужденных переходов, но и так же, как резонансные контуры и волноводы определяют спектральные характеристики излучения.
В длинноволновом диапазоне классической электроники длина волны излучения существенно больше размеров контура и его спектральные характеристики определяются сосредоточенными параметрами электрической цепи. Длинные радиоволны при этом излучаются в пространство практически изотропно. При сокращении длины волны и переход в СВЧ-диапазону для формирования электромагнитной волны используются пустотелые объёмные резонаторы с размерами, сравнимыми с длиной волны. При этом появляется возможность формирования направленных (анизотропных) распределений излучения в пространстве с помощью внешних антенн.

В ИК и видимом диапазоне длина волны излучения много меньше размеров резонатора. В этом случае оптический резонатор определяет не только частоту, но и пространственные характеристики излучения.

CO2 лазер - повышенной мощности

В лазерах повышенной мощности широкое распространение получили неустойчивые резонаторы со сферическими металлическими зеркалами. Наиболее часто в лазерной технике используется телескопический конфокальный неустойчивый резонатор, дающий на выходе параллельный пучок. Одно из его зеркал выпуклое, а другое вогнутое. Генерация возникает в приосевой зоне. Покидающее эту зону излучение усиливается при многократных проходах между зеркалами, смещаясь к периферии резонатора.

Относительная величина смещения положения луча на выпуклом зеркале за один проход называется коэффициентом увеличения резонатора . В отличие от устойчивого резонатора прозрачность неустойчивого резонатора определяется не пропусканием излучения выходным зеркалом, а геометрическими размерами системы. Из-за геометрического расширения излучения его интенсивность падает на одном проходе в М2 раз. Однако в стационарных условиях при малых внутрирезонансных потерях усиление излучения на одном проходе также составит М2.

Таким образом, весь неустойчивый резонатор заполнен излучением с практически равной интенсивностью, что в отличие от устойчивых резонаторов обеспечивает полное и равномерное использование всей активной среды. Если добавить к этому высокую лучевую стойкость металлических зеркал, то преимущество неустойчивых резонаторов для мощных лазерных систем становится очевидным.

 

 

CO2 лазер - охлаждение

CO2 лазеры требуют постоянного охлаждения активной среды, так как активная среда нагревается до очень высоких температур, которые могут разрушить конструкцию лазера, за очень короткое время (десятые доли секунды).

Для промышленных лазеров применяются два метода охлаждения активной среды СО2 лазеров:

- Конвекционный тип охлаждения активной среды лазера.

- Диффузный тип охлаждения активной среды лазера.

 

Конвекционный тип охлаждения активной среды лазера - основан на подачи газа через активную область с высокими скоростями прокачки потока.

Различают два типа подачи газа для прокачки:

- продольная прокачка

- поперечная прокачка

 

 

СО2 лазер - примениение

 

CO2 лазеры, в силу своей мощностной эффективности, наиболее часто используются для резки/раскроя различных сплавов металлов, в том тисле тугоплавких, маркировки или гравировки пластика и его производных, резины и пр. CO2 широко применяются для сварки различных металов. Лазерная CO2 сварка является эффективной для металлов с высокой теплопроводностью, например таких как алюминий и латунь.

 

 

 

CO2 Лазеры - производство

 

Мы производим подный спектр промышленных CO2 лазеров для широкого круга задач в России. Предлагаем ознакомиться с нашим каталогом продукции.

 

Каталог CO2 Лазеры - Ознакомиться с каталогом продукции

 

 

 

 

 

Лазеры (создание и развитие)

 

 

* Возможно производство более мощных CO2 Лазеров по индивидуальным проектам - обсуждается отдельно.