激光加工機(jī)床如激光打孔機(jī)和激光切割機(jī)除具有一般機(jī)床所需有的支承構(gòu)件、運(yùn)動部件以及相應(yīng)的運(yùn)動控制裝置外，主要應(yīng)備有激光加工系統(tǒng)，它是由激光器、聚焦系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)三部分組成的。   

1．   激光器  

   激光器由激光光源、光泵、聚光器和諧振腔組成，應(yīng)用于加工的激光器主要有： 

  （l）固體激光器

具有穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，但能量效率低一般＜3％，由于輸出能量小，主要用于打孔和點(diǎn)焊及薄板的切割。（摻釹釔化鋁石榴石）等作為工作物質(zhì)。YAG是固體激光中能發(fā)出最大功率的離子激光。YAG的結(jié)晶母材是由釔、鋁和石榴石構(gòu)成的，其中微量的釹離子剛起激光作用。YAG的激光波長為1.06μm，相當(dāng)于二氧化碳?xì)怏w激光坤長的1/10。它的綠色的激光束可在脈沖或連續(xù)波的情況下應(yīng)用，具有波長短、聚光性好適于精密加工特別是在脈沖下進(jìn)行孔加工最為有效，也可用于切削、焊接和光刻等。且由于聚光性好，可通過光導(dǎo)纖維傳格能量，適用于內(nèi)腔加工等特定切合，其能量效率不及CO2氣體激光源最多不超過3％，目前產(chǎn)品的輸出功率大多在600W以下，最大已達(dá)4kW。另一種紅寶石激光源的波長更 短為0.69μm，穩(wěn)定性好，但能量效率0.1％～0.3％，主要用于打孔和點(diǎn)焊。                  

1） 光泵是使工作物質(zhì)發(fā)生粒子反轉(zhuǎn)產(chǎn)生受激輻射的激勵光源，因此光泵的發(fā)射光譜應(yīng)與工作物質(zhì)的吸收光譜相匹配。常用的光泵有脈沖氙燈和氪燈，脈沖氙燈的發(fā)光強(qiáng)度和頻率較高，適用于脈沖工作的團(tuán)體激光器，而氪燈的發(fā)光光譜能與YAG的吸收光譜很好匹配，是YAG連續(xù)激光器的理想光泵。為改善照射的 均勻性，光泵可用雙燈有上、下兩個、三燈或四燈。     

2）聚光器罩在光泵的外圍，它是把光泵發(fā)生的光有效地、均勻地集中到工作物質(zhì)上。聚光器中常用的是圓柱聚光器和橢圓聚光器，也有球形、橢球和緊包形的聚光器。其要求為聚光均勻、散熱好、結(jié)構(gòu)簡單、 內(nèi)壁反射率高，表面粗糙度Rα0.04μm以下，通常聚光效率達(dá)80％。   

 3）諧振腔是光學(xué)反饋元件，它的作用是位光放大介質(zhì)產(chǎn)生光振蕩。其類型對激光輸出能量和發(fā)散角有很大影響，常用的平行平面諧振腔由圖l中反射鏡1與4組成，諧振腔的長度為激光半波長的整倍數(shù)，反 射鏡平行度＜10"。   

（2）氣體激光器

   常用的工作物質(zhì)有分子激光的二氧化碳（CO2）和離子激光的氬氣（Ar），后者輸出功率為25W，它的10ns級短脈沖，使熱影響區(qū)小，用于半導(dǎo)體、陶瓷和有機(jī)物的高精度微細(xì)加工。而CO2 激光器的功率在連續(xù)方式工作時可達(dá)45kW，脈沖式可達(dá)5kW，故在加工中應(yīng)用最廣。   

  1）CO2氣體激光器的波長為10.6μm，處于紅外線領(lǐng)域，因而其激光束為不可見光。它是在氦的體積分?jǐn)?shù)約80％，氮的體積分?jǐn)?shù)約15％和CO2的體積分?jǐn)?shù)約5％的混合氣體中進(jìn)行放電形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的分子激光。它的能量效率通常為5％～10%高效裝置甚至可達(dá)10％～15％。   

  2）氣體激光的激勵雖也可用光泵的方法，但大多用直流放電（圖2）或高頻放電的方式。 

 3）諸振腔由放電管兩端的鏡面構(gòu)成，一端是鍍金凹鏡，另一端是鍺或砷化鎵平鏡，它們也兼作密封之用。   

  CO2激光器的輸出功率與放電管的長度成正比，低速軸流式的氣體流速慢，輸出功率小，約50～70W/m，但其輸出功率穩(wěn)定，易得到單模，一般用于百瓦級激光器。對于千瓦級的CO2激光器則采用氣體循環(huán)速度達(dá)100m/s的高速軸流式的激光器或氣流及放電與激光光軸垂直的雙軸直交型以及氣流、放電與激光光軸三 者互相垂直的三軸直交型可達(dá)到使激光器小型化。

2. 見慣系統(tǒng)       

其作用是把激光束通過光學(xué)系統(tǒng)精確地聚焦至工件上大放具有調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置和觀察顯示的功能。CO2激光器輸出的是紅外線，故要用鍺單晶、砷化鎵等紅外材料制造的光學(xué)透鏡才能通過。為減少表面反射需鍍增速膜。圖3為應(yīng)用于CO2激光切割機(jī)的透射式聚焦系統(tǒng)。圖中在光束出口處裝有噴吹氧氣、壓縮空氣或惰性氣體N2的噴嘴，用以提高切割速度和切口的平整光潔。工作臺用抽真空方法使薄板工件能緊貼在臺面上。         

3．電氣系統(tǒng)   

電氣系統(tǒng)包括激光器電源和控制系統(tǒng)兩部分，其作用是供給激光器能量（固體激光器的光泵或CO2激光器的高壓直流電源）和輸出方式（如連續(xù)或脈沖、重復(fù)頻率等）進(jìn)行控制。此外，工件或激光束的移動大多采用CNC控制。   

為了實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)位置的自動調(diào)整，尤其當(dāng)激光切割的工件表面不平整時，需采用焦點(diǎn)自動跟蹤的控制 系統(tǒng)  軸快流CO2激光器的氣流方向、放電方向和激光束輸出方向都是一致的，有兩種常用的結(jié)構(gòu)，主要區(qū)別在于一種是直流放電激勵，另一種是射頻放電激勵。圖1-1給出直流放電激勵軸快流CO2激光器的方框圖。軸快流CO2激光器由諧振腔、放電管、熱交換器、風(fēng)機(jī)、氣源、真空泵、電源和控制等幾部分組成。影響激光器工作性能的關(guān)鍵因素是氣流方式、放電結(jié)構(gòu)、諧振腔的穩(wěn)定性等。 

  激光諧振腔是激光束產(chǎn)生的地方，它是一個光學(xué)諧振腔，以及一個光放大器。諧振腔是安裝光學(xué)器件的熱與機(jī)械的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。為獲得大體積均勻的輝光放電，設(shè)計(jì)時一般采用分段電離，利用多個放電管分段放電。放電時，激光氣體沿著它的玻璃管(放電管)流動，一般正電極位于氣流方向上游，負(fù)電極位于下游。當(dāng)高壓直流電流通過陰極和陽極時，會產(chǎn)生輝光放電，經(jīng)過諧振腔的共振放大，產(chǎn)生高功率的激光輸出。工作氣體激發(fā)過程中產(chǎn)生的廢熱，要通過氣體流動在熱交換器中排出。為了能及時冷卻放電的工作氣體和及時帶走不穩(wěn)定因素，要求激光風(fēng)機(jī)能推動工作氣體高速流動，在放電管中氣體流速約為300米/秒至業(yè)音速。

  為了能使CO2激光器長時間穩(wěn)定運(yùn)行，要求外部的工作氣體源CO2 、N2、He按一定比例混合以后，能隨時補(bǔ)充少量的新鮮氣體到放電區(qū)。  真空泵的作用是在激光器開始運(yùn)行時，抽去放電管中的空氣等雜質(zhì)氣體，使得充入工作氣體保持正常的混合比及純度。同時在激光器運(yùn)行過程中，真空泵將抽去少量變質(zhì)的氣體，使補(bǔ)充新鮮氣體后，放電管內(nèi)氣壓保持恒定。這是高功率軸快流CO2,激光器連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件和關(guān)鍵技術(shù)之一。

  控制單元就是使所有的部件按一定的流程正常地工作，并實(shí)時監(jiān)測激光器的狀態(tài)，保證激光器的安全運(yùn)行。  電源及功率控制系統(tǒng)是控制激光器工作的核心部分，通過調(diào)節(jié)開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn)激光器的連續(xù)和脈沖方式工作。CO2激光器工作在輝光放電狀態(tài)，是呈負(fù)阻特性的非線性負(fù)載，因此，要求電源特性應(yīng)與氣體放電管的非線性伏一安特性相匹配，且保證氣體放電間隙的點(diǎn)火條件。

  光的本質(zhì)是一種電磁波，它既有微粒特性又具有波動特性。激光與普通光一樣也是電磁波，它的歷史年代可以追溯到1917年，愛因斯坦在他的經(jīng)典著作“關(guān)于輻射的量子理論”中第一次提出了受激發(fā)射的概念，論證了受激發(fā)射、自發(fā)發(fā)射和光吸收之間的關(guān)系，這些基本理論為以后的激光發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。激光具有單色性好，方向性強(qiáng)、亮度高的特點(diǎn)，對生物組織的作用有光效應(yīng)、熱效應(yīng)、壓力效應(yīng)和電磁效應(yīng)。各種激光器被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，它們不僅是醫(yī)學(xué)研究的有力工具，也在疾病診斷、治療等方面獲得了極為廣泛的應(yīng)用，成為人類戰(zhàn)勝疾病的又一武器。

氣體激光器及其在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 

   根據(jù)工作物質(zhì)進(jìn)行分類，激光器可以分成氣體激光器、固體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器等。氣體激光器能連續(xù)輸出激光，是醫(yī)學(xué)中用得最多的激光器，如氦——氖激光器(He-Ne 激光器)、二氧化碳激光器(CO2激光器)、氬離子和氪離子激光器、氮分子激光器、氦鎘激光器和波長可調(diào)的準(zhǔn)分子激光器等。

1.氦—氖激光器(He-Ne 激光器)    

氦—氖激光器(He-Ne 激光器)是原子氣體激光器，工作物質(zhì)是氦原子和氖原子氣體，氖原子能級間的躍遷產(chǎn)生激光譜線，氦原子起能量轉(zhuǎn)移作用，這是最早研究成功的氣體激光器。醫(yī)學(xué)中常將此種激光器用做“光針”和照射治療的工具，對潰瘍的治療有較好的療效。

2.二氧化碳激光器(CO2激光器) 

   CO2激光器是氣體分子激光器，工作物質(zhì)是CO2氣體，輔助氣體有氮?dú)猓�氦氣，氙氣和氫氣等。由于這種激光器能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25%。故常做成高功率輸出的激光器。CO2激光器的波長為10.6μm，是不可見的紅外光，與生物組織作用時，幾乎全被生物組織200μm內(nèi)的表層吸收，穩(wěn)定性較好，醫(yī)學(xué)上應(yīng)用廣泛。  

3.氮分子激光器 

   氮分子激光器是分子氣體激光器，工作在紫外波段(波長377.1nm)。這種激光的脈沖寬度窄，峰值功率高，對生物體的作用是非常強(qiáng)烈的，醫(yī)學(xué)上用它診斷和治療腫瘤。

4.氬離子激光器 

   氬離子激光器是氣體離子激光器，與其同類的還有氪離子激光器、氖離子激光器和氙離子激光器等，結(jié)構(gòu)基本相同。氬離子激光器的波長有514.5nm,488.0nm， 457.9nm， 465.8nm， 476.5nm， 496.5nm等等，都在可見光范圍內(nèi)，是光強(qiáng)最強(qiáng)的可見光激光器，連續(xù)輸出功率幾瓦到十幾瓦，醫(yī)學(xué)上用作“光刀”和照射治療，用于治療眼科疾病比其它激光器優(yōu)越，上、下消化道出血時，可用光學(xué)纖維傳送此種激光于內(nèi)腔，進(jìn)行止血治療，或治療內(nèi)腔腫瘤。  

5.準(zhǔn)分子激光器 

   準(zhǔn)分子激光器是二十世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的一種脈沖激光器，主要特點(diǎn)是波長短功率高，工作物質(zhì)有稀有氣體，稀有氣體鹵化物和稀有氣體氧化物，輸出波長從真空紫外到可見光區(qū)域。準(zhǔn)分子激光已在軍事上廣泛應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)上，有趨勢表明它將成為CO2激光等傳統(tǒng)激光器的重要競爭對手。

二、CO2激光器的工作原理 

   在CO2激光器的放電管內(nèi)充有CO2、N2、He等混合氣體，其配比和總氣壓可以在一定范圍內(nèi)變化(一般是：CO2：N2：He＝1:0.5:2.5總氣壓為1066.58Pa)。任何分子都有三種不同的運(yùn)動形式：一是分子里的電子運(yùn)動，決定著電子能態(tài)；二是分子里的原子振動，即原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動，這種運(yùn)動決定了分子的振動能態(tài)；三是分子的轉(zhuǎn)動，決定著分子的轉(zhuǎn)動能態(tài)。CO2激關(guān)器就是利用CO2分子的振動和轉(zhuǎn)動能級間的躍遷來產(chǎn)生激光的，激光波長為10.6μm。利用氣體放電泵浦方法向CO2氣體分子注入能量，使放電管中CO2分子達(dá)到反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)：將直流電壓的兩輸出端分別接到放電管的兩電極上，當(dāng)不加電壓或電壓很低時，兩電極間的氣體完全絕緣，內(nèi)阻為無窮大，沒有電流流過；隨著電壓的升高，氣體中開始有帶電粒子移動，氣體的內(nèi)阻開始減小，當(dāng)達(dá)到某一電壓值時，內(nèi)阻急劇減小，電流迅速增加、氣體被擊穿、放電開始，這一電壓值叫做著火電壓；放電管中的氣體被擊穿放電后，電流增長、氣體中載流子增加、激光放電管的內(nèi)阻下降、又進(jìn)一步引起電流的增加，這一過程反復(fù)進(jìn)行，放電管呈現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，為了使放電能夠穩(wěn)定地工作在放電管電流—電壓特性曲線的某一點(diǎn)上，在放電管的供電電路中采取了限流措施。放電管放電時，在混合氣體中，N2分子與電子碰撞、獲得的電子能量而被激發(fā)，而在N2分子與CO2分子碰撞時又把它從電子獲得的能量轉(zhuǎn)移給CO2分子，使CO2分子被激發(fā)，有利于激光的產(chǎn)生；管中的He氣有冷卻作用，可以阻止CO2氣體溫度上升，同時還可以使激光下能級減少，提高激光器的效率。

三、CO2激光器的故障  

  CO2激光器是光、機(jī)、電一體化結(jié)構(gòu)，其中哪一方面出現(xiàn)異常都會影響其余方面，所以故障現(xiàn)象往往是錯綜復(fù)雜的綜合故障的反應(yīng)。從以下三個方面對CO2激光器的故障進(jìn)行研討。  

1.   無激光輸出  

  這是CO2激光器在使用中出現(xiàn)頻率最高的故障，應(yīng)從三個方面進(jìn)行故障分析和檢查。首先檢查高壓供電電路，因該機(jī)的直流高壓電源高達(dá)到24kV。利用面板上的開關(guān)旋鈕、指示燈及相應(yīng)的電壓表對故障進(jìn)行分析判斷；在斷電的情況下測量高壓供電電路是否有斷路；確認(rèn)高壓變壓器本身是否正常；對負(fù)責(zé)調(diào)整輸出電壓的可控硅及其觸發(fā)電路進(jìn)行測量、檢查；在通電情況下用量程大于30kV的高壓表測量直流高壓電路輸出的電壓數(shù)值。根據(jù)筆者的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，直流高壓供電電路故障導(dǎo)致無激光輸出的故障占該類故障總數(shù)的60%以上。其次檢查光路仔細(xì)觀察導(dǎo)光臂固定座的中心軸與CO2激光管的中心軸是否重合(應(yīng)重合)；CO2激光管的固定卡環(huán)是否松脫；激光管輸出側(cè)的平凸鏡位置是否正常；輸出窗是否清潔。最后檢查激光管，如激光管放電正常，但無激光輸出，可能是激光管兩端腔片損壞或輸出窗被遮蓋；激光管有不正常的放電，無激光輸出，可能是激光管中陽極或陰極損壞，或管中的工作氣體被雜質(zhì)氣體所污染；激光管無放電，也無激光輸出，則可能是陰極損壞或老化而不能發(fā)射電子，陰極或陽極引線封結(jié)處玻璃炸裂或激光管兩端腔片粘結(jié)處漏氣，空氣進(jìn)入激光管，從而激光管無法放電。

2.   激光輸出弱(強(qiáng)度大大低于正常值) 

  此類故障的原因甚至比無激光輸出故障更難分析和檢查，仍需從直流高供電電路、激光光路、激光管本身三個方面進(jìn)行，而且在整個過程中更強(qiáng)調(diào)指標(biāo)的定量。檢查電源電壓的數(shù)值是否正常；旋動激光功率微調(diào)旋鈕，看毫安表的數(shù)值能否靈敏地連續(xù)變化(在激光功率選擇開關(guān)處于不同位置時分別進(jìn)行)；激光管的檢查包括外觀結(jié)構(gòu)觀察、光路各環(huán)節(jié)的正確位置、計(jì)算激光管的累計(jì)工作時間(激光管老化后效率下降，輸出變小)。  

3.   保護(hù)電路故障 

  一般有四種保護(hù)電路，哪一種發(fā)生故障，激光器都停止工作。過流保護(hù)電路，防止激光管因電路故障引起輝光放電電流過大而使電極損壞或電極線密封處炸裂(一旦炸裂，后果嚴(yán)重)，工程技術(shù)人員對該保護(hù)電路應(yīng)采取定期的預(yù)防性維修，被動性維修(即發(fā)生故障后才去維修)的方式不可取。

斷水保護(hù)電路，CO2激光器工作時會產(chǎn)生大量熱量，循環(huán)冷卻水必須對激光管降溫，水路不通時，激光管的直流高壓被切斷。加壓泵工作不正常和水位開關(guān)接觸不良是此類故障的主要原因。斷水保護(hù)電路的檢查是經(jīng)常性的工作，不容忽視。

   安全保護(hù)電路，主要由機(jī)柜上的門開關(guān)組成，為的是保證操作者和患者的安全。因機(jī)內(nèi)有高達(dá)24kV的高壓。故障原因大多是門開關(guān)處接觸不良或門裝的位置不正。     電源鎖開關(guān)的保護(hù)，為防止非操作和維修人員對機(jī)器通電。故障往往由鎖開關(guān)本身損壞引起，斷電情況不用萬用表測量即可判斷其通、斷是否正常。激光諧振腔的調(diào)整步驟如下：檢查基準(zhǔn)光源  

  紅色的半導(dǎo)體激光是整個光路的基準(zhǔn)，必須首先確保其準(zhǔn)確性。用一個簡易的高度規(guī)檢查紅光是否與光具座導(dǎo)軌頂面平行，幷處于光具座兩條導(dǎo)軌間的中心綫上，如出現(xiàn)偏差，可以通過6個緊固螺釘進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整好后注意再檢查一遍所有緊固螺釘是否已經(jīng)完全擰緊。

  調(diào)整輸出鏡(輸出介質(zhì)膜片)位置  

  調(diào)整輸出鏡前，應(yīng)將裝有YAG棒的聚光腔拿開，以免因光路中YAG棒的折射偏差影響調(diào)整的準(zhǔn)確性。

   輸出介質(zhì)膜片的準(zhǔn)確位置應(yīng)該是使紅光位于其中心位置幷能將紅光完全反射回紅光的出射孔，否則應(yīng)通過膜片架的旋鈕進(jìn)行仔細(xì)調(diào)整。注意調(diào)整完后應(yīng)將膜片架調(diào)節(jié)旋鈕上的鎖緊圈完全鎖緊，確保其位置的穩(wěn)定性，然后再一次檢查其反射光的位置是否保持在原位。

   檢查YAG棒的安裝位置

用透明膠紙分別貼在YAG棒套的兩端，觀察紅光光斑是否在兩個棒套管的正中間位置，如有偏差，應(yīng)通過調(diào)整聚光腔的位置加以修正。然后觀察YAG棒的反射光位置，應(yīng)與紅光的出射孔重合，否則在兼顧紅光盡可能保持在棒套管中心位置的前提下調(diào)整聚光腔的位置，使反射光儘量與出射孔靠攏，至少應(yīng)保證調(diào)通過調(diào)整聚光腔的位置加以修正。然后觀察YAG棒的反射光位置，應(yīng)與紅光的出射孔重合，否則在兼顧紅光盡可能保持在棒套管中心位置的前提下調(diào)整聚光腔的位置，使反射光儘量與出射孔靠攏，至少應(yīng)保證調(diào)整到與出射孔的偏差小于1mm 。

   調(diào)整全反鏡(全反介質(zhì)膜片)位置 

   第一步：檢查紅光是否在介質(zhì)膜片的中間位置，否則應(yīng)調(diào)整介質(zhì)膜片架的安裝位置使紅光在介質(zhì)膜片的中心。

   第二步：粗調(diào)介質(zhì)膜片架旋鈕，使紅光反射回出射孔。

   第三步：開啟激光電源，將電流調(diào)至200A左右，脈寬調(diào)整到約2ms，重復(fù)頻率調(diào)整到0Hz ，踩一下腳踏開關(guān)使脈沖氙燈閃光，此時用完全暴光的全黑像紙放在輸出鏡前，可以觀察到有激光輸出，反復(fù)調(diào)整膜片架的兩個旋鈕，使輸出光斑最圓且均勻，然后逐漸降低電流至120A左右，進(jìn)一步反復(fù)仔細(xì)地微調(diào)旋鈕，盡可能使打到像紙上的光斑最圓且最強(qiáng)部分集中在光斑中心。

   第四步：檢查激光是否與紅光重合，將像紙固定在激光輸出鏡的前端幷儘量遠(yuǎn)離輸出鏡的位置，發(fā)出一個激光脈沖，觀察像紙上的光斑中心是否與紅光中心重合，如不重合，可以微調(diào)輸出鏡和全反鏡，使光斑與紅光重合，然后再將像紙固定在離激光器輸出鏡800~1000mm的地方，再次檢查光斑是否與紅光重合。如能較好地重合，激光器即調(diào)整到了最佳狀態(tài)。

   第五步：鎖緊各個調(diào)節(jié)旋鈕，再一次檢查像紙上的光斑是否良好，幷與紅光同軸。否則應(yīng)重新調(diào)整。檢查光閘的位置 ， 人工旋轉(zhuǎn)反射鏡片支架，將光閘推至擋光位置，觀察紅光是否在鏡片的中間，其反射光是否位于光束終止器中心的吸收錐體上，如位置不正確可稍加調(diào)整，最后，應(yīng)特別注意仔細(xì)檢查一下光閘反射鏡片是否清潔，受污染的鏡片在使用中很快會炸裂， 至此激光器部分的調(diào)整工作結(jié)束。

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2014-122601