1 CO2 分子气体激光器简介
CO2 是分子气体激光器, 分子气体由碳和氧组成( 最常用) , 分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一种激光器, 实现高效率与高功率输出。CO2 分子气体激光器中主要物质为CO2 , 辅助气体有氮气, 氦气等。它的光电转换效率( 输出激光功率与输出电功率之比) 较高, 一般为15%左右, 输出功率从瓦级直到万瓦级。由于CO2 结构类型差异很大, 它应用于不同的领域, 其中应用最为广泛的当属激光医学。CO2 激光器的输出波长为10.6um, 是不可见的红外光, 它极易被人体组织200pm 内的表层所吸收, 稳定性较好, 是医学上应用最为广泛的一种气体激光。
2 CO2 激光器的工作原理
在CO2 激光器的放电管内充有CO2 、N2 、He 等混合气体, 其配比和总气压可以在一定范围内变化( 一般比例为CO2∶N2∶He 。=1∶0.5∶2.5, 总气压为1066 .58Pa) 。CO2 激光器是将上述混合气体放在光振荡器中, 利用CO2 分子的振动和转动能级间的跃迁来产生激光的, 激光波长为10.6um。利用气体放电泵浦方法向CO2 气体分子注入能量, 使放电管中CO2 分子达到反转分布状态:将直流电压的两输出端分别接到放电管的两电极上, 当不加电压或电压很低时, 两电极间的气体完全绝缘, 内阻为无穷大, 没有电流流过;随着电压的升高, 气体中开始有带电粒子移动, 气体的内阻开始减小, 当电压达到某一电压峰值时,内阻急剧减小, 电流迅速增加、气体被击穿、这叫做点火电压;放电管中的气体被击穿并放电后, 电流增长、气体中载流子增加、激光放电管的内阻下降、这又进一步引起电流的增加, 这样经过反复的进行, 放电管呈现负阻效应, 为了使放电能够稳定地工作在放电管电流一电压特性曲线的某一值上, 在放电管的供电电路中采取了限流措施。放电管放电时, 在混合气体中,N2 分子与电子碰撞、获得的电子能量而被激发, 而在N2 分子与CO2 分子碰撞时又把它从电子获得的能量转移给CO2 分子, 经过多次能量转换, 使CO2 分子被激活, 更有利于激光的产生;管中的H2 气体有冷却作用, 可以有效地阻止CO2 气体温度上升,同时还可以使激光下能级减少, 提高激光的输出效率。
3 CO2 激光器的故障
CO2 激光器是光、机、电一体化结构, 因此其故障往往错综复杂的现从以下几个方面对CO2 激光器的故障进行分析。
3.1 CO2 激光输出功率低由于CO2 工作气体温度较高, 将下能极驰域过程减慢, 粒子反转数降低, 输出功率下降。放电管管壁温度升高, 将会在玻璃套管之间产生应力, 容易使玻璃管壳炸裂, 导致激光管损坏。激光管的出水口必须向上, 整个管子向出水管一端翘起, 这样冷却水才能充满整个水冷夹层。当水充满夹层后, 并不再有气泡进入, 则无论激光管如何倾斜, 冷却水将充满夹层;如果冷却水中断, 激光管也将损坏。工作电源大于最佳电源IP, 输出功率下降, 也将严重影响激光管的使用寿命。CO2 和N2 时消耗速率在辉光放电等离子体中, CO2 受高能电子碰撞而离解。CO2 2CO+O2 如电极材料持续吸附CO或O2, 则CO2 将不断下降, 输出功率下降。如果同时吸附N2则输出功率下降。长期大调节范围下工作, 激光输出功率也将下降10%～ 20%, 工作寿命缩短。长期不更换冷却水。建议1-2 个月更换一次冷却水, 最好使用蒸馏水。
3.2 无激光输出 无激光输出是CO2 激光器在使用中出现频率较高的故障, 应从以下方面进行故障分析和检查。检查高压供电电路。因该机的直流高压电源高达到24kv 。利用面板上的开关旋钮、指示灯及相应的电压表对故障进行分析判断;在断电的情况下测量高压供电电路是否有断路:确认高压变压器本身是否正常;对负责调整输出电压的可控硅及其触发电路进行测量、检查;在通电情况下用量程大于30kV 的高压表测量直流高压电路输出的电压数值。检查光路仔细观察导光臂固定座的中心轴与CO2 激光管的中心轴是否重合( 应重合) ;CO2 激光管的固定卡环是否松脱;激光管输出侧的平凸镜位置是否正常;输出窗是否清洁。
3.3 保护电路故障 一般有四种保护电路, 哪一种发生故障,激光器都停止工作。过流保护电路防止激光管因电路故障引起辉光放电电流过大而使电极损坏或电极线密封处炸裂( 一旦炸裂, 后果严重) , 工程技术人员应定期对保护电路进行预防性维修, 以免造成严重后果。断水保护电路CO2 激光器工作时会产生大量热量, 循环冷却水必须对激光管降温, 水路不通时, 激光管的直流高压被切断。加压泵工作不正常和水位开关接触不良是此类故障的主要原因。断水保护电路的检查是经常性的工作, 不容忽视。安全保护电路, 主要由机柜上的门开关组成, 故障原因大多是门开关处接触不良或门装的位置不正。电源锁开关保护是为防止非操作和维修人员对机器通电。故障往往由锁开关损坏所致, 此类情况不用万用表测量即可判断其通、断是否正常。
作者李永科
