激光切割的原理及CO2激光器的优势

在激光切割中最常用的是CO₂激光器，它是一种气体激光器，具有效率高、输出功率大、结构简单、成本较低等优点。

CO₂激光器是在一根封闭的管子中充以CO₂气体，为了提高性能，常采用CO₂、N₂和He的混合气体，管子两端为电极，如图6-3-1所示。电极之间是高压区，在电场中，电子得到加速，电子互相碰撞过程中释放出的动能激励具有激光激活性的CO₂分子，使之受激发射出光波，光波在两个反射镜之间来回反射，重新激励光发射，形成振荡，得到耦合放大，发射出激光。

图6-3-1 CO₂激光器结构示意图

1—反射镜 2—布儒斯特窗 3—阳极 4—毛细管 5—阴极 6—反射镜

激光是一种单色相干光，有极好的聚焦性能，通过聚焦透镜，可以将激光聚焦成一个很小的光斑，用于激光切割的激光切割头的结构示意图如图6-3-2所示。通过聚集后，光斑的直径一般仅为0.1～0.5mm，焦点处功率密度非常高，可达10⁶～10⁹W/cm²，当激光被聚焦在被切割材料的很小面积上，板材的聚焦处温度迅速升高，其加热速度可达10¹⁰℃/s，使被切割材料在高温下熔化或汽化。在激光切割时，与激光光束同轴吹入氧气，氧气一方面作为助燃的气体，使达到高温的金属在氧气中燃烧，变成流动的熔渣，另一方面将熔渣由切口吹出。因此，氧气气流也成为附加能源，加快了切割速度。气流还有冷却已切割表面、减少热影响区和防止聚焦透镜不受污染的作用。(www.xing528.com)

图6-3-2 激光切割头示意图

1—聚焦透镜 2—辅助气体 3—激光束 4—喷嘴5—工件 6—熔渣

CO₂激光器中如气体流动的方向与激光射线的方向同轴称为轴流式，如互相垂直则为横流式，目前大多数CO₂激光器是高速轴流式，它的优点是功率大、体积小、光质优。

YAG激光器是固体激光器，它的激光活性介质是掺有钕（Nd）金属离子的YAG晶体，即钕（Nd³⁺离子）位于钇—铝—石榴石（Y—A—G）组成的固态晶体中，利用激光二极管或通过氪闪光灯产生光学激励。YAG激光器的光束的最大特点是可以通过光纤传输，其激光波长为1.06μm，具有较高的吸收率，可用于加工高反射率的材料，如铝和铜。