CO2激光器原理

激光

激光的最初的中文名叫做“镭射”或“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是"通过受激发射光扩大"。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。

激光产生的三个条件

激光产生的三个条件如下：

(1) 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；

(2) 有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；

(3) 有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。

激光的特点

激光与普通意义上的光源相比较激光主要有四个特点：方向性好、亮度极高、单色性好、相干性好。

激光器

激光器是一种能发射激光的装置。1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。

除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。

激光器的种类是很多的。下面，将分别从激光工作物质、激励方式、运转方式等几个方面进行分类介绍。

(1)按工作物质分类

根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固体（晶体和玻璃）激光器；②气体激光器，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等；③液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液；④半导体激光器；⑤自由电子激光器。

(2)按激励方式分类

①光泵式激光器；②电激励式激光器；③化学激光器；④核泵浦激光器。

(3)按运转方式分类

由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类

①连续激光器；②单次脉冲激光器；③重复脉冲激光器；④调激光器；⑤锁模激光器；⑥单模和稳频激光器；⑦可调谐激光器。

CO2激光器的原理

1 CO2激光器的基本结构

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

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。

2 CO2 激光器基本工作原理

CO2激光的激发过程，主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入的氦有两个作用：一个是可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空；另一个是实现有效的传热。氮气的加入主要在CO2激光器中起能量传递作用，为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。

泵浦采用连续直流电源激发。它的直流电源原理：直流电压为把接入的交流电压，用变压器提升，经高压整流及高压滤波获得高压电加在激光管上。

CO2激光器是一种效率较高的激光器，不易造成工作介质损害，发射出10.6μm波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。按气体的工作形式可分为封闭式及循环式，按激励方式分电激励，化学激励，热激励，光激励与核激励等。在医疗中使用的CO2激光器几乎百分之百是电激励。

CO2激光器的基本工作原理：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。

3 CO2激光器的优缺点

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，但最高也不会超过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”。