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CO2激光器的应用

时间:2017-04-20 来源:新特光电 访问量:1015

军事上的应用

激光技术在军事上应用中,在这近几年里,CO2激光器在这方面得到了稳步的发展。

激光武器作为一种新概念武器,与传统常规武器相比,以其速度快,方向性好,能量密度高,作战耗费比高等优点,成为新世纪武器中的新宠.高能激光武器在军事应用的方面扮演着越来越重要的角色,代表着未来武器的发展方向,将彻底改变目前的战场环境和作战方式,使未来战争的形态发生了深刻变革.高能气动CO2激光器输出功率大,曾被各国设计用于研制高能激光武器。

激光导弹防御或称激光反导的基本特征是:用由光速的高能激光去摧毁声速运行的导弹或其它飞行固体。我们可以说这方面是CO2激光器的天下,因为它有一些突出的优点。目前在陆军中

采用的陆基小型激光反导系统、空军采用的机载激光反未来的CO2激光武器主要的特点是超高功率和高便携性。高能激光器是未来战斗系统的重要组成部分,将在反监视、主动保护、防空和清除暴露地雷等方面做出贡献。高便携性将使单兵作战的能力大极大的提高,充分发挥每一个兵的作用,当然目前这个想法还是仅仅处于理论阶段。目前各国的激光武器都朝着这个方向努力,当然这个实导系统和海军采用的舰载激光反导系统中都是使用高能CO2激光器。

未来的CO2激光武器将向着高功能、便携式、杀伤力强发展。

医疗上的应用

近20年来激光技术在医疗有着飞速的进步,许多疾病和先天性的疾病都可以被成功地根治。

CO2激光手术采用的是自由光束CO2激光器,通常都是采用光束与皮肤组织非接触的方式,比常规手术提供了更多便利的条件,包括减少机械损伤,增加周围组织被保护等,并且更易保持无菌手术,与其他激光手术相比,CO2激光手术刀具有切割能力强,组织吸收系数大,组织穿透浓度较小(约0.23mm),手术时不易伤及动脉血管等,使得连续CO2激光被大量用于外科手术临床治疗。

但是连续CO2在临床上对组织的损伤属非选择性的,手术治疗后常常伴随着皮肤疤痕等副作用。对病灶进行的切割或气化时也有不同程度地损伤正常组织,因而不能适用于有较高要求的手术治疗,这种情况严重地限制了CO2激光在医疗中的进一步应用。 

1983年,Aderson和Parrish提出了“选择性光热作用”原理,以进行激光的无损伤治疗。这一原理的要点是:当激光通过正常组织到达病变靶组织时,应使靶组织对激光的吸收系数大于正常组织,其反差愈大愈好,以便在激光破坏靶组织时,不伤及正常组织;靶组织的热弛豫时应大于激光的脉冲宽度或作用时间,使靶组织在激光加热过程中,来不及将热量向周围正常组织扩散,以保护周围正常组织。

基于“选择性光热作用”原理,90年代后出现了以超脉冲CO2激光治疗机为代表的高能量脉冲医疗设备,并得到成功的应用,使得要求较高的应用领域得到突破性进展,特别是激光美容方面独占鳌头。发展前景十分广阔。

超脉冲CO2激光器采用先进的脉冲技术和PWM电源控制技术,不仅能在极短时间内提高了激光输出的峰值功率,向靶组织提供足够的能量,而且可以通过PWM信号精确控制每个脉冲的宽度和脉冲重复频率。通过计算靶组织的热弛豫时间,控制脉冲宽度可实现最佳手术效果。如毛细血管的热弛豫时间约为10μs,要求脉宽小于10μs;皮肤组织的热弛豫时间大致为1 ms,要求做皮肤磨削除皱的激光仪的脉宽小于1 ms。现代激光仪与10余年前的激光仪的最大区别正是在于对脉宽的精确控制,这是现代激光治疗安全性的根本保证。

超脉冲CO2激光治疗机不但有连续CO2激光手术刀的共同特点,还具有本身的优点,可输出高能量高重复频率的的脉冲激光,可满足“激光选择性光热作用”的操作要求,可以迅速有效地去除病变靶组织,最大限度地减少激光对正常组织的损伤,大大提高了医学临床的准确性和安全性。临床实践证明,在进行同一种手术时脉冲激光所使用的激光功率要比连续激光低得多,因而由激光手术引起的组织反应较轻,对周围组织的损伤小,也缩短时间,治疗时产生烟雾少,视野清晰。 超脉冲CO2激光器已经广泛应用于耳鼻喉科(Otorhinolaryngology),妇科医学(Gynecology),神经外科(Neurosurgery),一般手术(General Surgery),美容学(Aesthetics)。微桥点阵治疗(Bridge Therapy)技术推出者Lumenis医疗激光公司已经研究并生产了各种CO2激光治疗仪,像NovaPulse Series可用于耳鼻喉科和美容学,其他还有波兰的CTL公司生产的MODEL CTL1401是一款手术仪,日本NANO LASER的GL-Ⅲ可用于口腔科的CO2激光治疗仪,目前国内已有5个国家级激光技术研究中心,十几个产品研发机构。医疗激光设备生产企业主要集中在上海,武汉,长春,北京,成都等城市或是周边地区。例如拥有CO2激光治疗技术的上海激光研究所,上海嘉定光电仪器有限公司,广州市激光技术应用研究所,(不列出全部,排名不分主次)。中国的激光医疗技术与西方相比水平并不低,且中国有13亿人口,故激光医疗器械的潜在需求巨大,今后10年,我国激光医疗器械市场将迎来一个新的繁荣期,超脉冲CO2激光将在这一大浪中起举足轻重的地位。 

工业上的应用

(1) CO2激光器切割技术

激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中,可大大减少加工时间,降低加工成本,提高工件质量。激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。与传统的板材加工方法相比,激光切割其具有高的切割质量、高的切割速度、高的柔性(可随意切割任意形状)、广泛的材料适应性等优点。

激光切割技术分为金属切割是CO2激光切割的最大支柱领域,目前从经济上考虑,一般用大功率激光切割机按加工站形式提供代工,随着国内中功率CO2激光器的成熟,各个钣金厂会自购激光切割机,需求会大增。非金属切割应用于刀模板切割,木材和高密度木质纤维板切割,塑胶切割。

(2) CO2激光器的焊接技术

激光焊接是一种材料连接方法,主要是金属材料之间连接的技术。它和传统的焊接技术一样,通过将连接区的部分材料熔化而将两个零件或部件连接起来。因为激光能量高度集中,加热、冷却的过程及其迅速,一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料,用激光很容易实现。另一方面,在激光焊接过程中无机械接触,易保证焊接部位不因受力而发生变形,通过熔化最小数量的物质实现合金连接,从而大大提高焊接质量,提高生产率。激光焊的焊缝深度比大,而焊缝热影响区极小,质量好。

例如:金属薄板的焊接,中功率CO2激光器适合焊接1mm以下厚度的金属薄板,如汽车部件,发电机、刮水机、启动机、举窗机等经常使用到的层叠状的硅钢片的固定,过去采用打孔销钉固定,现在可以激光焊接。

电池焊接,锂电池的生产工序如极耳焊接、安全阀焊接、负极焊接、外壳密封焊接使用激光焊接为最佳工艺,需要配备的激光焊接机的品种和数量十分巨大。精密仪表零件的激光焊接需求也在增大,如不锈钢压力膜片的焊接、航空仪表外壳的焊接。

CO2激光器的研究现状与发展前景

CO2激光器的研究现状

CO2激光器从诞生到现在的近50年时间里一直被人类所关注,二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。CO2激光器是一种比较重要的气体激光器,目前对CO2激光器的研究方向主要朝一下几个方面:

第一, 高效率的CO2激光器。

显然,相对于固体激光器其效率是非常高的,但是总体而言,相对于CO2激光器本身其效率还是相对较低的。1964年,通过使用N2,转换效率达到3%;1965年,通过使用CO2-N2-He混合气体,转换效率达到6%。到目前为止,其最高效率也不会超过60%。在效率提高方面许多公司研究,已美国大通公司为例,研究的CO2激光器的效率已达到60%左右。国内研究较好的公司大都具有军方背景,目前效率已接近国外水平,代表公司为北京中科思远光电科技。

第二, 小体积多功能CO2激光器。

目前大部分的CO2激光器功能单一,只能够从事某一项非常具体的工作。我们知道大型医院里使用的CO2祛斑激光器和CO2除毛激光器,他们的体积都非常的庞大,但是结构基本相同。使用多功能CO2激光器的话,占用的体积小,而且售价相对也低了许多。

在这个方面国内的研究处于国际水平了,当然研究机构大都是具有医院背景的。例如拥有完全的自主产权的吉林省科英激光技术有限责任公司,已研究出小体积多功能 CO2激光器(医疗美容)。

第三, 高功率CO2激光器

高功率一直都是军方的追求目标,在这方面国内的一些军工企业

的研究水平还是相对落后。美国空军最早开始着手研究高功率CO2激光器。1975年,也就是CO2诞生的十一周年,美国空军医研制出功率达到30KW级别的CO2激光器。1988年,研究的CO2激光的输出功率已达到380KW。目前根据美国军方公布的部分数据,研制的CO2激光器输出功率已达到千万瓦级别。

第四, 工业技术的研究

CO2激光器在激光加工方面占主导地位,它广泛的用于焊接,切割,热处理和清洗等方面,输出激光的质量和功率都有很明确的要求。因此,工业中的CO2激光器要有高质量的激光光束和稳定的输出功率。在这个方面我们一直跟在国外公司的后面,毕竟我们在工业方面的研究晚了近十年。在企业中,使用较多的CO2激光器为美国的大通公司所生产的。

激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域,它标志着新技术革命的发展。如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比,你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段,更令人激动的美好前景将要来到。 

CO2激光器的发展前景

未来的CO2激光器将朝着以下几个方向发展:

(1) 高功率横流CO2激光器。

高功率横流CO2激光器,用于激光加工和热处理,激光器的整机呈一体化的箱体。箱体的上箱体中置有一体化的放电室、热交换器、风机系统、进出口导流器以及光学谐振腔,箱体的下箱体中置有激光电源、充放气系统、真空泵、镇流电阻箱和控制盒。与已有技术相比具有结构紧凑、安装调试和维修方便、激光器的工作效率高,整机的体积可以小型化的特点。它主要应用于金刚石工具、汽车齿轮、汽车安全气囊气体发生器等焊接中的应用,激光表面淬火与熔覆工艺及其在钢铁轧辊表面熔凝淬火、石油化工零件表面修复等方面的特殊应用。

(2) 声光调Q CO2激光器:为满足激光测距、环境探测、空间通讯及激光与物质相互作用机理研究等领域应用要求,研制了声光调Q C02激光器。针对影响声光调Q CO2:激光器输出的各种因素,利用调Q脉冲激光器速率方程对该激光器输出的主要技术参数进行了理论分析和计算,提出了声光调Q CO2:激光器优化设计的方法,并进行了验证实验。激光器脉冲重复频率为lHz~50 kHz,在l kHz运转时获得的输出激光脉冲宽度为180 ns,峰值功率为4062 W,与理论计算基本一致。结果证明:通过声光晶体(AO)的优选及谐振腔的合理设计。可实现小型CO2激光器的高重频、窄脉宽,高峰值功率输出,并可通过光栅选线的设计方式和TTL信号控制实现此类激光器的波长调谐和编码输出。

(3)紧凑型长寿命射频激励波导CO2激光器 :为了使CO2激光器在工业加工及军事上有更广泛的应用,采用铝合金拉制型材作为激光器壳体、盘装电感代替传统线绕电感的结构以及全金属封接工艺等,研制出一种紧凑型长寿命射频激励波导CO2激光器.可连续输出或在不高于20kHz调制频率下脉冲输出,最大输出功率30W,实测工作寿命超过1500h,存储寿命超过1.5a.结果表明,这种激光器具有结构紧凑、输出功率稳定、工作寿命长、可连续及脉冲调制工作等特点,除了能满足各种材料的加工,也可在军事上应用。

(4)新型便携式TEA CO2激光器:它是一种新型便携式横向激励大气压CO2激光器。该激光器采用4节5号充电电池直流供电,在1 Hz重复频率条件下,可连续工作1 h.激光器整机(包括电源及控制系统)尺寸为200 nm×200 mm × 360 mm,质量小于8 kg.激光器使用紫外电晕预电离方式,放电均匀、稳定.自由振荡情况下,激光脉冲输出能量达到35 mJ,输出脉冲宽度为70 ns。

(5)高功率连续CO2激光器:针对直升飞机发动机涡轮叶片采用连续激光熔覆出现裂纹及叶片变形的问题,在5 kW连续横流CO2激光器上,采用新的电源控制方案,通过软件及相关控制,实现了脉冲激光功率输出.克服了采用高功率开关电源带来的成本和稳定性问题.且脉冲调制频率可达到5 Hz,调制占空比可达到5%~100%.当采用4 kW峰值功率,4 Hz脉冲重复频率,占空比为20%时,在发动机叶片K403合会表面进行合金粉末Stellite X-40的熔覆实验.结果表明,熔覆后热影响区比连续激光减少50%,硬度提高5%,界面结合性能与母材相当,无熔覆裂纹及叶片变形。

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