co2激光器

原理

　　与其它分子激光器一样，CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动决定了分子的电子能态；二是分子里的原子振动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动——并决定于分子的振动能态；三是分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂，因此能级也很复杂。

　　CO2激光器产生激光：在放电管中，通常输入几十 mA或几百mA的直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和 CO2分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给 CO2分子，CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转从而产生激光。

结构

　　如图 1 所示是为一种典型的 CO2激光器结构示意图。构成 CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。

　　基本结构：

　　① 激光管

　　激光器中最关键的部分。通常由三部分组成（如图 1所示）： 放电空间（放电管）、水冷套（管）、储气管。放电管通常由硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。它能够影响激光的输出以及激光输出的功率，放电管长度与输出功率成正比。

　　在一定的长度范围内，每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。

　　一般而言，放电管的粗细对对输出功率没有影响。

　　水冷套管的和放电管一样，都是由硬质玻璃制成。它的作用是冷却工作气体，使得输出功率稳定。

　　储气管与放电管的两端相连接，即储气管的一端有一小孔与放电管相通，另一端经过螺旋形回气管与放电管相通。它的作用是可以使气体在放电管中与中循环流动，放电管中的气体随时交换。

　　② 光学谐振腔

　　光学谐振腔由全反射镜和部分反射镜组成，是 CO2激光器的重要组成部分。光学谐振腔通常有三个作用：控制光束的传播方向，提高单色性；选定模式；增长激活介质的工作长度。

　　最简单常用的激光器的光学谐振腔是由相向放置的两平面镜（或球面镜）构成。CO2激光器的谐振腔常用平凹腔，反射镜采用由K8 光学玻璃或光学石英加工成大曲率半径的凹面镜，在镜面上镀有高反射率的金属膜——镀金膜，使得波长为10.6μm的光反射率达 98.8％，且化学性质稳定。我们知道二氧化碳发出的光为红外光，因此反射镜需要应用透红外光的材料。因为普通光学玻璃对红外光不透，就要求在全反射镜的中心开一小孔，再密封上一块能透过 10.6μm 激光的红外材料，以封闭气体，这样就使谐振腔内激光的一部分从这一小孔输出腔外，形成一束激光。

　　③电源及泵浦

　　泵浦源能够提供能量使工作物质中上下能级间的粒子数翻转。封闭式 CO2 激光器的放电电流较小，采用冷电极，阴极用钼片或镍片做成圆筒状。30～40mA 的工作电流，阴极圆筒的面积 500cm2，不致镜片污染，在阴极与镜片之间加一光栏。

优缺点

　　与其它激光器相比，CO2激光器有着以下优缺点，如下：

　　优点：具有较好的方向性、单色性和较好的频率稳定性。而气体的密度小，不易得到高的激发粒子浓度，因此，CO2气体激光器输出的能量密度一般比固体激光器小。

　　缺点：CO2激光器的转换效率是很高的，但也不会超过 40％，这就是说，将有 60％以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起 CO2 分子的分解，降低放电管内的 CO2 分子浓度。这些因素都会使激光器的输出功率下降，甚至产生“温度猝灭”

优势及应用

　　CO2激光器是一种比较重要的气体激光器。这是因为它具有一些比较突出的优点：，它有比较大的功率和比较高的能量转换效率。一般的闭管CO2激光器可有几十瓦的连续输出功率，这远远超过了其他的气体激光器，横向流动式的电激励CO2激光器则可有几十万瓦的连续输出。此外横向大气压CO2激光器，从脉冲输出的能量和功率上也都达到了较高水平，可与固体激光器媲美。CO2激光器的能量转换效率可达30～40%，这也超过了一般的气体激光器。第二，它是利用CO2分子的振动-转动能级间的跃迁的，有比较丰富的谱线，在10微米附近有几十条谱线的激光输出。近年来发现的高气压CO2激光器，甚至可做到从9～10微米间连续可调谐的输出。第三，它的输出波段正好是大气窗口（即大气对这个波长的透明度较高）。除此之外，它也具有输出光束的光学质量高，相干性好，线宽窄，工作稳定等优点。因此它在国民经济和国防上都有许多应用，如应用于加工（焊接、切割、打孔等），通讯、雷达、化学分析，激光诱发化学反应，外科手术等方面。

　　大功率横向激励二氧化碳激光器，主要用于激光焊接、激光切割、激光热处理等。在汽车工业、钢铁工 业、造船工业、航空工业、机械工业、冶金工业、金属加工和电机制造等领域广泛应用。

发展趋势

　　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,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。