【doc】旋流二氧化碳激光器腔内增益分布的改进

【doc】旋流二氧化碳激光器腔内增益分布的改进 旋流二氧化碳激光器腔内增益分布的改进 第37卷第11期 2007年11月 激光与红外 LASER&INFRARED Vo1.37,No.11 November,2007 文章编号:1001-5078(2007)11-1156-05 旋流二氧化碳激光器腔内增益分布的改进 李再光,龚威,李又平.,毛飞跃 (1.华中科技大学,湖北武汉430074;2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉430079: 3.武汉博莱科技发展有限公司,湖北武汉430074) 摘要:常用的工业二氧化碳激光器,主要为横流,纵流和扩散冷却三种.文章对作者提出的 新型旋流二氧化碳激光器进行了简要介绍,重点研究了腔单元结构和电极结构变化对腔内增 益分布状态的改进.依托该研究结果,发展出新型转流二氧化碳激光器实验样机,实现了基模 700W输出,并进行了板材样品的精密切割实验. 关键词:二氧化碳激光器;旋流;转流;腔内增益;光束质量 中图分类号:TN248.22文献标识码:A ImprovementofRevolvingFlowC02LaserCavityGain Distribution LIZai—guang,GONGWei,LIYou—ping., MAOFei—yue (1.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China; 2.StateKeyLaboratoryofInformationEngineeringinSurveying,MappingandRemoteSensing,WuhanUniversity Wuhan430079,China;3.WuhanBorneLightScience&DevelopmentCo.,Ltd.,Wuhan430074,China) Abstract:ThecommercialavailableindustrialCO,lasersarethreetypes:transverseflow,fastAxialflowanddiflu. sivelycooled.Inthispaper,anewtypeofrevolvingflowCO2laserwasintroduced.Theresearchisfocusedonthe improvementofthecavitygaindistributionbydevelopingnewcavityandelectrodestructures.Anewprototyperota- tionalCO2laserwasdevelopedbasedonthisresearch.ThelaseremitsTEM00modelaserbeamat700W,andpreci— sionlasercuttingexperimentwasconductedbythislaser. Keywords:CO2laser;revolvingflow;rotationalflow;cavitygain;laserbeamquality 1'前言 不同激光应用对光束质量提出了不同的要求. 在激光加工中占70%以上的激光切割,特别是多维 精密激光切割,需要基模激光束.要获得此种高质 量的激光束,关键在于光腔内的增益分布应是圆周 均匀的.国内外用于激光加工的高功率二氧化碳激 光器,主要是横流,轴流和扩散冷却激光器.横流激 光器因腔内增益分布轴不对称,导致输出光束的功 率分布轴不对称,主要用于热处理和焊接.平板放 电扩散冷却激光器也因腔内增益分布轴不对称,其 光束经光学处理后,仍有一定的椭圆度,主要用于平 面切割和焊接.轴快流激光器可以获得基模光束, 它的腔体是圆形玻璃管,腔内增益分布是圆周均匀 的;轴快流激光器已广泛应用于多维精密激光切割. 但每个腔单元长达数十厘米,加之腔壁是玻璃的,腔 内热交换能力特别差,需要耗电数十千瓦的罗兹泵, 产生高速气流,进行腔外对流换热,它的体积大,造 价高. 我国自主开发的横流激光器已能满足国内的需 求,主要用于面热处理,并开始用于激光焊接.作 为切割用的轴快流激光器及其加工系统,其关键部 件或整机主要依靠引进,成本很高.研究旋流激光 器的目的是要尽快研制出适用于多维精密激光切割 "(NO.20065004116—04);高等学校 基金项目:武汉"晨光 博士点基金项目(NO.200604086036);国家教育部留学回国人员科 研启动基金(NO.2006331);测绘遥感信息工程国家重点实验室基金 项目(N0.O6o4O1)资助. 作者简介:李再光(1929一),男,教授,博导,华中科技大学激光 技术国家重点实验室,多年从事大功率二氧化碳激光器的基础研究 和应用开发. 收稿日期:2007~949;修订日期:2007—10一l8 激光与红外No.112007李再光龚威李又平等旋流二氧化碳激光器腔内增益分布 的改进1157 的,光束质量可与轴快流激光器相媲美的,比轴快流 激光器造价低的新型高功率二氧化碳激光器.本文 介绍了其结构和工作过程,重点研究了腔单元结构 和电极结构变化对腔内增益分布状态的改进,展示 了样机激光输出和切割实验结果. 2旋流二氧化碳激光器结构和工作过程 旋流二氧化碳激光器的光腔由同轴,等距安装 的多个圆形金属腔单元和装在箱体上的全反镜和输 出镜组成,如图1所示.金属腔单元的个数取决于 激光功率的大小,由几个到几十个.每个金属腔单 元有多个对称分布的离轴流道.所谓离轴,即根据 光腔直径的大小和对光束功率径向分布的要求,使 流道的中心线偏离腔轴一定的距离.气流进人腔内 的人口处装有电极,放电在电极和流道壁之间的短 气隙中产生;或改变绝缘结构,使放电在流道壁之间 产生.放电可采用直流,开关,高频或射频电源.气 流由风机产生,经导流器和离轴流道,将放电及被其 激活的粒子吹入腔内,形成增益,产生光放大,输出 激光.气流先经过离轴流道进入腔内,形成旋 流?J,并从每个腔单元的两端离心旋出,接着从腔 单元之间的间隔中流出腔体外,通过热交换器回到 风机 图1旋流二氧化碳激光器的光腔不意图 3旋流二氧化碳激光器的特点 3.1圆形金属腔结构 横流激光器的腔体是平行针一板型,高功率扩 散冷却激光器的腔体是平行平板型,轴快流激光器 的腔体是圆形玻璃管.本项目采用圆形金属腔:腔 体圆形有利于获得增益的轴对称分布;腔壁金属可 以进行腔内对流换热,降低腔内温度和热气体阻力. 全腔由多个腔单元组成,降低了对风机全压的要求, 可采用小型风机,大大缩小激光器的体积. 3.2多通道放电吹入 现有的横流,轴快流和板条激光器的放电都是 在腔内发生和维持的,本激光器的每个腔单元有多 个流道,放电在流道与腔体接口处产生,气流将放电 及被其激活的粒子吹人腔内.多通道放电有利于提 高注入功率和吹人放电的均匀性. 3.3激活气体腔内旋流 激活气体在腔内旋流可以提高腔内增益分布的 轴对称性和金属腔壁的对流传热.同时气流从各腔 单元的两端离心旋出,不是轴向冲出,有利于消除各 相邻两腔单元流场的相互干扰,提高吹人放电的稳 定性. 4旋流二氧化碳激光器的腔内增益特性 本激光器的特点是多通道横流放电激励和旋流 振荡放大相结合,因此可采用先计算横流放电通道 内的增益分布,然后计算激发粒子随气流的旋转 运动和随时间的变化,从而获得圆形激光腔内增益 的空间分布及其与激光器工作条件的关系. 4.1旋流二氧化碳激光器放电通道内的增益 对横流CO激光器的增益特性从理论上作定 量分析,已经有过较多的数值计算模型.放电通道 内,由于采用横流放电结构,粒子在放电区的滞留时 间远小于扩散时间,因此轴向变化远不如流向变化 重要,故可用一维模型来描述放电通道内的系统. 放电气体分子的激活和弛豫过程采用五能级近 似模型来描述.由描述一维运动的质量守恒方程, 动量守恒方程,能量守恒方程,气体状态方程和电子 能量守恒方程,并考虑五能级近似模型中的重要反 应过程,可得出以下方程组: = (P一GI)/A(1) 一 dU一 /? dX—KT—dX dN =一 N ( dU+KdT mU)(3)一(+K)(3) 一 dn3 : n3dN +(nnk4dX4k43一;4+n2n423一一=+Lnen—n334+n4一 non3k32)(4) 一 dn2 : n2dN +(nn,一nMk21M—n2n4+dXot%22M23一=+nen—n21M—n2n4+ non3k32一)(5) tT — dn — l :— n1dN + {[+?+加)nn..e+dX(folo——+l+/oo+2o)nenoo+ n221+1o(noMkol—n1Mk1o)+LT—I](6) y dG = G— dN + lzhT(fooiB21面dn2一 fl'ooB12dXvh~'(ioo)(7)一+面一)(7' 式中,为流线上的距离;G为小信号增益;,为小信 号辐射强度;U为气流速度;M为平均气体分子质 量;?为混合气体分子密度;n.,/7,,n,n,和n为五 能级近似模型中各能级粒子数密度;各.厂值为激光 各能级粒子数占(n+n)的归一化百分比;B和 曰为受激吸收和受激辐射系数J. 对方程组(1)到(7)采用四阶龙格库塔法来求 1158激光与红外第37卷 解,口J以计算出小信号增益随放电参数,电极结构, 气体状态参数和风速在流线上的分布情况.这样, 在圆形激光通道与放电通道交界处的小信号增益和 气体参数等参量可以求得,从而为进一步计算激光 腔内的增益提供了边界条件. 4.2激光腔单元内的增益 激光腔内气体流动是一个近似轴对称问,故 采用了圆柱坐标系(r,0,Z).用数值解方法计算激 光腔内气体三维流动的质量平衡方程式和动量平衡 方程式如式(8)和式(9): ++ Or ++…8d TrTddz Ip(鲁+u+一警)= 一 OP0,1O,r))+?+] Ip(鲁OUo+半+)= 一 OP杀(?杀()+号+] Ip(+u警+警)= l魁一[杀c杀c++ (9) 可得到三维流场中的每一个节点上的速度 (),(J.),(?,),再用差值判断法求出流场中 通过所有节点的流线族,从而求得所有微元从激光 腔交界处流到位于激光腔内它们可能经过的每一节 点的时间.激光腔内的小信号增益随时间的衰变可 由下面的方程绢给出: Idn3=%sz Idn2=nenok一 {dn1=(fo..+..+fo2.).z l.(n.O1M--nl.)+ ldG=h~/(foodn2一dn1) (10) 由此即可得到增益在激光腔内每一个节点上的 数值.然后对增益在整个腔空间内对轴积分,即 可求得增益在激光腔内的空间分布及其与激光工作 参狮的姜系 4.3激光腔单元内的增益计算 利用方程(1)一(10)求得的激光腔内增益分布 如图2所示.由以上结果可以看出,对于本文提出 的新型激光器,在较为合适的工作参数条件下,可在 激光腔内获得比较均匀的轴对称增益分布.这种增 益分布形式再配上适当的激光谐振腔,可形成低阶 模的光斑输出模式.激光腔内的小信号增益虽然以 轴对称分布,但不是完全的圆对称分布,这样会增 加激光输出中的较高阶横模,影响整个光束的模 式质量. 图2激光腔内增益分布 经过分析,造成这一问题的主要原因是处于不 同腔单元上的相应通道处于相同的方位上,各个腔 单元上增益分布的不均匀性不能得到互补.为解决 这一问题,提出了错位气体流入结构:将每两两相邻 的腔单元绕光腔轴错开一定的方位角,则不同腔单 元上的增益不均匀性可以得到互补,总体体现为激 光腔内小信号增益分布的圆对称均匀性.图3所示 为旋转30.时激光腔内增益分布的情况,其表现出 圆对称分布的情况. 图3错位流人激光腔内增益分布 5腔内增益的理论与实验比较 为了验证理论计算的结果,采用三个独立腔单 元按旋转30.进行排列构建了一个简易验证系统. 图4给出在气比CO2:N2:He=1:1:8,气压为 10.64kPa,每通道电流80mA的混合气体放电中所 测得的介质增益随半径变化的关系曲线.从图中我 们看到,小信号增益的最大值出现在距激光通道中 心约3mm处,激光通道中心处的增益约为最大增益 值的75%,激光通道边缘的增益值也超过最大值的 激光与红外N0.112007李再光龚威李又平等旋流二氧化碳激光器腔内增益分布 的改进1159 60%.图5所示为按上述实验条件通过理论计算得 到的腔内增益分布情况,其增益最大值为 0.19/m左右,激光通道中心增益约为0.14/m,激光 通道边缘的增益值约为0.10/m.实验值比理论值 小,这主要有两个原因:实验时采用的小信号(10 W/cm)比计算小信号增益时由Plunk给出的 小信号(10W/cm)大得多;我们在实验中采用的 是选支激光器,探测激光器工作支上的带宽功率密 度较高,将引起被测激光器相应支上的增益部分饱 和.这都使得增益的实验值比理论值小. 目 \ 磐 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 目 ,, 半径/irma 图4测量的腔内增益分布随半径的分布 图5按实验条件计算得到的激光通道内增益分布 更重要的,实验与理论结果在增益分布趋势上 体现出了一致性,即中间低的火山口结构,这种增益 分布可以产生较好的低阶横模输出,可用于激光焊 接.但即使配备特殊设计制作的激光谐振腔,也很 难获得基模输出,不能满足精密切割的要求. 6腔单元和电极结构的进一步改进 为了获得能用于精密切割的基模激光输出,就 必须使腔内增益分布均匀,或者是圆对称中间突起 的丘陵状分布.通过对上两节理论与实验结果的分 析和比较,认为产生中间低火山口结构增益分布的 原因主要有两个:激活介质(气体)在腔内旋转流动 时,在腔内(特别是光轴区域)滞留时间过长,由于 驰豫过程使增益降低;由于采用对称的四通道结构, 会迫使激活气体向光腔外壁方向迁移,使中心区域 (光轴附近)的增益进一步减小. 为了解决上述问题,同时降低腔单元和电极结 构的复杂程度,提出了一种改进型的气体流动方式, 称之为转流方式.转流二氧化碳激光器腔单元和电 极结构如图6所示. 出气出气 一 翌一 111111 图7计算得到的改进后激光腔内增益分布 7实验结果 基于上述改进后的腔单元和电极结构,建立了 转流二氧化碳激光器实验样机系统,如图8所示. 该样机系统的上部为密封箱体,内部装有改进后的 转流放电装置,光腔,热交换器,风机和导流器等;系 统的下半部分为机座,内部装有电源和充排气系统. 图9(a)所示为该激光器实验样机系统输出光 束对聚酯玻璃的烧蚀样品.将其与图9(b)所示的 TEM..模光束光强空间分布图进行对比,可得 116O激光与红外第37卷 出该激光器实验样机系统的输出激光束为TEM..模 的结论. 图8转流二氧化碳激光器实验样机系统 图9(a)样机光束对聚酯玻璃的烧蚀样品 图9(b)标准TEMoo模光束光强空问分布 由于改进型腔单元和风冷阴极的采用,使激光 器实验样机系统的长时间工作稳定性大大增强.图 l0所示为30h烤机实验的结果,该激光器实验样机 系统表现出较为优异的时间稳定性,已具备了工业 应用的能力. ? 700]0,一一一——..^,j小一v—————————————, I6001 碍5001 蚕400j 镡300 200 1O0 时IN/h 图1030h的烤机试验结果 图11所示为该激光器实验样机系统输出光束 经激光加工镜准直聚焦后对聚酯玻璃的烧蚀样品, 可以看出激光束在体现出良好的聚焦性能的同时也 保持了相当长的焦深.这一特性使该激光器特别适 用于深穿透焊接和精密切割的工业应用. 图11经激光加工镜准直和聚焦后 对聚酯玻璃的烧蚀样品 将经激光加工镜准直聚焦后的光束与二维激光 加工平移台结合,进行了板材样品的切割实验.图 12(a)所示为对18ram木材切割的实验结果,图12 (b)所示为对1.5mm钢材切割的实验结果. 图12(a)对18ram木材的切割结果 图12(b)对1.5mm钢材的切割结果 8总结与展望 本文作者提出的一种全新二氧化碳激光器,对 其结构和工作原理进行了介绍.从理论到实验两个 方面重点分析研究了腔单元结构和电极结构变化对 腔内增益分布状态的改进.依托该研究结果,发展 出新型旋流二氧化碳激光器实验样机,实现了长达 30h较为稳定的基模700W输出,并进行了板材样 品的精密切割实验. 理论与实验研究结果表明该激光器实验样机系 统输出的激光束特别适用于深穿透焊接和精密切割 的工业应用.通过烤机实验,该激光器实验样机系 统表现出较为优异的时间稳定性,已具备了工业应 用的能力.在经过标准化,规模化的工业制作流程 后,该旋流二氧化碳激光器可达到商品化,系列化要 求,替代进口,满足国内需求,参与世界竞争. 参考文献: [1]AbramovichGN.实用气体动力学[M].莫斯科:技术 理论文献国家出版社,1951. [2]AkibaT,NagaiH,HishiiM.Gaincharacteristicsofanat— mospheficsealedCWCO2Laser[J].JQuant.Eleetr., 1979,QE15(3):162—170. [3]McDanielEW,MansonST,GallagherJW,etal[R]. TechnicalRepo~H一78—1.1978,4:1409—1504.