Diagram over karbondioksidlasere

Denne artikkelen gir skjematiske diagrammer av karbondioksid (CO 2 ) lasere.

Den mest nyttige industrielle laseren for sveising og kutting er CO 2 -laseren der lassemediet er en blanding av karbondioksid, nitrogen og helium i et typisk forhold på 1: 1: 10 ved et trykk på 20-10 torr med en elektrisk utslipp på 10-30.000 volt.

CO 2 -laseren kan enten ha et forseglet rør med gass eller flytende gass i røret. Det flytende gassprinsippet øker effekten ved ca. 3 ganger den av den forseglede rør typen av lasermateriale. CO 2 -laseren kan fungere både i pulserende eller kontinuerlig bølgeform og har blitt utviklet for å levere produksjon varierende fra noen få hundre watt til over 20 KW. Den fremstilte laserstrålen er i langt infrarødt område av spektret ved en bølgelengde på ca. 10, 6 μm (106000 Å).

Gassstrømmen i en CO 2 -laser kan være langs laserstrålens akse eller på tvers av den ved et driftstrykk på 80 torr eller mindre, selv om pulserende CO 2- laserstråle er blitt produsert ved atmosfæretrykk. Med begge typer gasstrøm brukes et helt reflekterende speil i den ene enden og en delvis overføring, for en bølgelengde på 10, 6 μm, i den andre enden for å fungere som et utgangsvindu. Coated halvledermateriale som sink selenid (ZnSe) brukes som utgangsvinduer for CO 2 -lasere med opptil flere kilowattutganger. Slike materialer blir imidlertid brent ut ved høyere effektnivåer, og dermed blir et ringformet metallspeil brukt for å lette overføringen.

Et skjematisk diagram over en 150 watt CO 2 laser er vist i figur 14.22.

De forhåndsblandte gassene blir kontinuerlig matet inn i røret som danner laserhulen. Utløpsrøret er vannavkjølt og et DC-potensial på ca. 10 KV opprettholdes mellom elektrodene. Ved hver ende av utladningsrøret er et justerbart speil festet gjennom en fleksibel bore til røret. Ett speil som består av gull avsatt på pyrex eller rustfritt stål, reflekterer helt på 10-6 μm mens speilet som danner utgangsvinduet, har et dielektrisk belegg deponert på et germanium-substrat.

For CO 2 -lasere med høy effekt består utløpsrøret av et antall rør plassert i en parallell konfigurasjon med arrangement for optisk folding av lys gjennom frem og tilbake refleksjoner. De langsomme aksialstrømslaserne kan produsere en maksimal utgang på ca. 500 watt fordi 75 - 90% av utladningsenergien blir spaltet i gassen og resulterer i overoppheting og dekomponering med følgelig fall i utgang.

For høyere utgang drives gasen gjennom laserrøret med høy hastighet av en blåser; dette reduserer varmetapet til veggene til en ubetydelig mengde. Mens en langsom aksialstrømslaser vil levere ca 50 - 70 watt per meter laserhule, kan den raske aksialstrømlaseren generere opptil 600 watt per meter.

Gasslaserdrift:

I en karbondioksid-laser blir CO 2 -molekylene vibrasjonelt begeistret av en elektrisk utladning over laserhulen. Den direkte vibrasjonsuttrykk av CO 2 ved elektrisk utladning er ineffektiv. Imidlertid aksepterer N 2 energi effektivt fra utslipp og vibrasjonelle energinivåer av N 2- molekyler, og noen av disse CO 2 -molekylene er svært nærtliggende. Det er derfor N 2 legges til CO 2, og CO 2 er derfor begeistret av resonansutveksling med N 2 . Denne to-trinns prosessen er mye raskere og effektivere enn prosessen med direkte eksitering av CO 2 .

Overgang fra øvre vibrasjonsenergi til mellomproduktet ledsages av utslipp av en foton med en karakteristisk bølgelengde på 10-6 μm i strålingsspekterets infrarøde sone. CO 2 -molekyler på mellomnivået må gå tilbake til bakkenivå for å fullføre prosessen.

Dette oppnås fortløpende ved å tilsette helium til CO 2 - N 2- blandingen; fordi kollisjon mellom CO 2 -molekyler og He resulterer i overføring av gjenværende eksitasjonsenergi til helium. Denne energien blir deretter fjernet som spillvarme. Prosessen med laserutslipp ved fallet av CO 2 og N 2 gjennom forskjellige energinivåer er vist i figur 14.23.

Som i solid-state lasere, kan gasslaserne også fungere bare ved å etablere tilstanden for populasjonsinversjon som oppnås ved høyspenningsglødutladning. Men glødutladning resulterer i ustabilitet på nåværende nivå over 300 mA, og hvis glødutladningen endres til bueutladning, opprettes termodynamiske forhold og lasing kan ikke forekomme.

Dette kan forhindres i høysystemer ved hjelp av ekstra ionisering ved bruk av radiofrekvent elektrisk kraft ved høy spenning. Imidlertid fungerer dagens høyeffekt-CO 2 -lasere utelukkende med en DC elektrisk utladning uten bruk av ekstra ionisering.

Elektriske spennende CO 2 -lasere med høy effekt på opptil 20 KW kontinuerlig utgang med en effektivitet på 10-15% blir konvektivt avkjølt; Hurtig flyt av gasser brukes til å fjerne varmen fra laserhulen. For å minimere driftskostnadene benyttes en gass-til-væskeveksler, og lasergassene blir resirkulert i systemet som vist for en aksialstrøm-CO 2- laser i figur 14.24. Bare en liten mengde gass forbrukes på grunn av behovet for kontinuerlig fjerning og påfylling av en liten mengde av lasergassblandingen for å forhindre oppbygging av forurensninger frembrakt ved dissosiasjonen av CO 2 og N 2 i de elektriske utladninger.

CO 2 lasere kan operere både i pulserende bølge (PW) og kontinuerlig bølge (CW) modus.

Pulsed Power:

Med pulserende stråle laser bestemmes sveiseinntrengningen av pulsenergi og varighet. Penetrasjon øker med økning i pulsenergi og varighet. Pulsvarigheten må være lang nok til å muliggjøre ledning og smelting til ønsket dybde. Som strålekraft styres av pulsenergi og varighet styres energidensiteten på arbeidsflaten ved å fokusere optikk.

Inntrengning i pulsstrålesveising styres også av materialegenskaper. For en gitt puls energi og varighet, høyere termisk diffusivitet grunne gjennomtrengningen. Høy effekt laserstråle, som er en stråle med høy puls energi og kort pulsvarighet, er funnet passende for slike materialer med høy termisk diffusivitet og revers er sant for lave termiske diffusivitetsmaterialer.

Maksimal penetrasjon som oppnås med nåværende dag, pulserende solid-state laser er kun ca. 1-5 mm, og dermed kan prosessen brukes effektivt for bare lysmålematerialer. Forholdet mellom prosessvariabler for pulserende lasere med lav kapasitet, når de brukes til sveising av rustfritt stål, titan og aluminium, presenteres i grafisk form i figur 14.25.

CO 2 lasere er tilgjengelige som kan produsere pulstopp på 3 KW ved frekvens på opptil 2-5 KHz fra en nominell 500 watt gjennomsnittlig kraftenhet.

Kontinuerlig kraft:

Kontinuerlig strømlaser er oppnådd fra gasslasere. Slike lasere med lav effekt kan brukes til konvensjonell type ledningsbasert gjennomtrengning, mens nøkkelhullsmetode for penetrasjon kun kan oppnås med høyeffektlasere - ved sveisehastighet på mer enn 40 cm / min. En penetrasjon på ca 20 mm i legerert stål kan fås med en 15 KW kontinuerlig stråle CO 2 laser. Tyngre seksjoner kan sveises i to pass, en fra hver side.

I høyspenningslasere er det en mulighet for ionisering av metalldampen som kan føre til dannelse av plasma over arbeidsstykkets overflate som kan absorbere laserstrålen med følgelig reduksjon i penetrasjonsdybden. Dette unngås vanligvis ved å lage heliumgassflyt over stedet for å feie ioner som forårsaker plasmedannelsen.

Gasslaserne som brukes til sveising er for tiden alle 10, 6-tilkoblede bølgelengde-CO 2 -lasere, siden de har vist seg å være mest effektive og produserer den høyeste effekten. Men Nd: YAG-laser med sine spesifikke egenskaper er for tiden den mest brukte industrielle laseren som brukes til sveising.