[發明專利]一種延長二氧化碳激光器使用壽命的混合氣體

有效

• 申請號: 201611102040.2
• 申請日: 2016-12-05
• 公開（公告）號: CN106410598B
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 鄒強;姜卓岑;鄒心穎
• 申請（專利權）人: 龍口科銳激光科技有限公司
• 主分類號: H01S3/223
• 分類號: H01S3/223
• 代理公司: 北京雙收知識產權代理有限公司11241
• 代理人: 盧新

技術領域

本發明涉及激光器領域，特別是涉及一種應用于激光器的混合氣體。

背景技術

二氧化碳激光器因其優越的光束質量和高性價比而在激光器家族中占有重要的位置，其在材料加工行業有著最廣泛的應用。

目前，傳統的直流玻璃管激光器正在被新一代的射頻激勵密封型二氧化碳激光器所取代。針對這種新型二氧化碳激光器，由于氣體是密封在激光腔內，它的穩定性直接影響到激光器的性能和使用壽命。通常，二氧化碳激光器腔內的氣體介質不是純二氧化碳氣體，而主要由二氧化碳、氮氣和氦氣及少量的輔助氣體按一定比例混合而成。閻吉祥，激光原理與技術，高等教育出版社，2004。

亞當等人給出了一個典型的混合氣體比為CO₂:N₂:He＝1:9:15。亞當.賽寧，安德烈.徹努科，格日娜.雷博祖科，工作介質組分對二氧化碳激光器性能的影響，SPIE會議論文集，第4237卷，2000年，219頁。(Adam Cenian,Andrey Chernukho,Grazyna Rabczuk.Investigations of the influence of working mixture composition on a CO₂ laser performance.Proceedings of SPIE Vol.4237,2000,219)

在射頻放電過程中，混合氣體的成份并不是固定不變的，會隨氣體的電離和電子的碰撞而發生變化。二氧化碳氣體會發生如下的反應：

CO₂+e→CO+O+e (1)

CO₂+e→CO+O^- (2)

伴隨氣體反應，混合氣體中會產生一系列反應產物像CO、O、O^-及O₂、NO等。反應導致二氧化碳氣體的分解，其分解過程可用如下的平衡方程來簡單描述：

由公式(3)可看出，當反應達到平衡時，如果CO和O₂的含量不變，則CO₂組分應保持不變。然而，反應生成的CO和O₂會不斷的被腔內的電極及其他材料(通常為鋁合金)所消耗，促使上述反應不斷向右進行，導致CO₂氣體含量不斷減少，激光的輸出功率不斷下降。威爾弗里德.哈斯，鐵雄岸本，射頻激勵密封型二氧化碳激光器中氣體組分的研究，SPIE會議論文集，第1276卷，1990年，49頁。(Wilfried Haas,Tetsuo Kishimoto.Investigation of the gas composition in sealed-off RF-excited CO₂ lasers.Proceedings of SPIE Vol.1276,1990,49)

因此，如何防止CO₂氣體的分解和保持混合氣體的穩定性在很大程度上決定了二氧化碳激光器的壽命和可靠性。

為防止反應生成的CO和O₂與腔內的材料發生氧化反應，目前業界的做法是通過對腔體和電極材料的表面處理(鈍化)來阻斷或減緩它的氧化速率。比如，鋁的表面陽極化、無電鍍鎳。另外，在電極或其他部件上表面鍍金被認為有利于促進(3)式的平衡向生成CO₂的方向移動。這些措施的采用極大的改善了激光器的使用壽命，尤其是改善了當激光器在連續工作條件下的使用壽命。

但這些處理措施不但會增加當激光器的成本，而且，當激光器工作在不斷地開關及溫度變化強烈的環境下，鋁合金表面的保護層會由于熱疲勞而遭到破壞，從而一方面引起CO₂氣體的分解；另一方面，破裂的表面層會產生大量的細小的氧化物顆粒，這些細顆粒會在腔內運動并附著到光學鏡面上，從而造成鏡面的光學損傷。

因此，尋找有效簡便的方法保持CO₂組分的穩定性已成為延長二氧化碳激光器使用壽命的關鍵技術。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種延長二氧化碳激光器使用壽命的混合氣體。該混合氣體可以保持CO₂組分的穩定性，從而延長二氧化碳激光器的使用壽命。

一種延長二氧化碳激光器使用壽命的混合氣體，包括氮氣、二氧化碳、一氧化碳、氧氣、氙氣和氦氣，其體積分數分別為：