快轴流CO₂激光器湍流发生器的仿真研究

　　1　引言

　　快轴流CO2激光器得名于它的气流与光震荡同轴,且快速流动,优点是光束质量好,功率高,运行稳定可靠,在激光切割,焊接,打孔等对光束质量要求较高的场合得到广泛的应用[1]。CO2激光器的主要工作物质为CO2,辅助气体有N2,He,一般工作在1/10的大气压左右。因为CO2激光器靠击穿气流来激发,因此气体在放电管中的流动状态,直接决定了激光器运行的稳定性和放电电流的大小,从而影响到注入功率的大小。因此气流状态是影响CO2激光器工作性能的一个重要因素。本文以计算流体力学CFD为基础,研究了流体在湍流发生器中的流动状态,分析了不同的湍流发生器对湍流,压力和速度的影响,对湍流发生器的改进和工程应用提供了重要依据。

　　2　仿真对象分析

　　直流激励快轴流CO2激光器的激发电极阳极位于放电管内,起辉电压高,但是由于放电管内气体密度较低,气体在放电管内流动的过程是减压膨胀状态,导致气体的分布不均匀,这样增加了击穿的难度,也降低了辉光放电的稳定性[2]。

　　由于湍流是无规律的流动,它的质量分布比较均匀,有利于放电击穿,所以在阳极附近形成湍流,就能增加放电的稳定性。在直流激励快轴流CO2激光器的发展中,出现过很多种不同的阳极结构,本论文选取了三种在工程实际中常用的湍流发生器,模拟在实际工作过程中湍流的分布情况、不同结构对压力和速度的影响

　　图1为延长放电管型湍流发生器,它结构简单,利用延长的放电管对气流产生扰动作用,利用气流的冲击和突然转向来形成湍流;图2为狭缝型湍流发生器,它是在放电管上环切一个狭缝,利用高速气流通过狭缝后突然膨胀进入放电管产生湍流;图3为圆孔喷射型湍流发生器,它在放电管上气流进口的对侧位置的开一个圆孔,利用通过圆孔的喷射气流与放电管反射的气流冲击形成湍流[1]。在湍流发生器中布置阳极,阳极一般有两种结构,环状和针状。改善湍流发生器内的湍流状态,主要是改善阳极周围的湍流状态,因为环状阳极环绕放电管壁,要求在阳极的周围环绕放电管壁产生湍流,而针状阳极只要求在针尖的周围产生湍流,产生湍流的要求比环状要低。所以,现在发展趋势是使用针状阳极代替环状阳极。阳极的放置通常都是靠经验决定,通常不能放置在湍流状态最好的位置,进行仿真分析以后,就可以根据分析结果对阳极的放置位置进行优化,使得放电更稳定。

　　在气压大于2000Pa时CO2激光器输出功率的计算公式为:

　　要提高CO2激光器的输出功率,就要提高小信号增益系数Gm,延长放电距离L,饱和参量Is,减小光腔损耗α等,Gm正比于气压P, Is正比于P2,因此提高放电管内的工作气压P可以提高功率输出Pw。但是由于耗散功率与气压成正比,提高气压P会使耗散增大,气体的温度升高,谱线的宽度增大，激发截面A变小,上能级的迟豫加速,影响输出功率,所以要控制气体的温度。