CO2激光器原理及其应用 课 程 激光原理及技术 班 级 光信息121801班 学 号 2 姓 名 曾庆苏 指导教师 杨旭东 完成日期 2015.6.15 目录前言 1一、CO2激光器简介 1二、CO2激光器分类 2三、CO2激光器输出特性及其缺点 3四、CO2激光器结构 34.1 激光管 44.2 光学谐振腔 44.3 电源及泵浦 4五、CO2激光器原理 55.1 CO2分子的的能级结构 55.2 CO2分子的振转跃迁 55.3 CO2激光器激光上能级的激发过程 65.4 CO2激光器激光下能级的弛豫 75.5 CO2激光器激光产生 7六、CO2激光器的应用 86.1工业应用 86.2医疗应用 86.3军事应用 96.4环境应用 9七、CO2激光器发展特点 107.1发展历史 107.2发展现状 107.3发展前景 11八、结束语 11前言： 二氧化碳激光于1964年首次运用其波长为10.6μm。
因为这是一种非常有效率的激光，作为商业模型来说其转换效率达到10%，所以二氧化碳激光广泛用于激光切割，焊接，钻孔和表面处理作为商业应用激光可达45千瓦，这是目前最强的物质处理激光二氧化碳激光器是目前连续输出功率较高的一种激光，它发展较早，商业产品较为成熟，被广泛应用到材料加工、医疗使用、军事武器、环境量测等各个领域，是用最广泛的激光器之一二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展，也是光武器和核聚变研究中的重大成果 论文首先介绍了应用型CO2激光器的基本结构和工作原理，着重介绍了应用型CO2激光器在军事、医疗、工业和环境四个主要领域的应用，最后介绍应用型CO2激光器的发展历史、现状、以及前景通过这些介绍使得大家能够加深对CO2激光器的了解和认识一、 CO2激光器简介 1964年，Patel等人首先发现了用CO2气体观察到大约10.6微米的连续波激光作用，（其中还有9.6微米）经过多年对CO2气体激光的研究，今天它已经成为产品，广泛用于各种领域 CO2激光器是分子气体激光器，分子气体由碳和氧组成(最常用)，分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一种激光器，实现高效率及高功率输出。
CO2分子气体激光器中主要物质为CO2 ，辅助气体有氮气，氦气等它的光电转换效率(输出激光功率及输出电功率之比)较高，一般为15%左右，输出功率从瓦级直到万瓦级由于CO2结构类型差异很大，它应用于不同的领域，其中应用最为广泛的当属激光医学，CO2激光器输出波长为10.6um，是不可见的红外光，它极易被人体组织200pm内的表层所吸收，稳定性较好，是医学上应用最为广泛的一种气体激光 工作物质：CO2、N2和He的混合物 激光波长：10.6微米、9.6微米（远红外光）（利用基态的不同振动态的转动能级之间的跃迁，故光子能量小） 特点：激光器效率高、输出能量大、功率高二、CO2激光器分类2.1按输出方式分 1）连续输出； 2）脉冲输出——调制频率高达1MHz； 3）Q开关输出——电光调Q及声光调Q2.2按谐振腔的工作分 1）波导腔——孔径D=1～3mm； 2）自由空间腔——孔径D=4～6mm2.3按激励极性分 1）单相； 2）反相2.4按腔体结构分 1）单腔； 2）多腔； （a）折叠腔：V型——2折；Z型——3折；X型——4折。
（b）列阵腔：短肩列阵；交错列阵 （c）积木式：并联—2腔；三角组联—3腔 3）大面积放电 （a）平板型，（b）同心环型2.5按均恒电感分布方式分 1）准电感谐振技术—用于低电容激光头； 2）平行分布电感谐振技术—用于高电容激光 头2.6按谐振腔材料分 1）陶瓷—金属混合型；2）全陶瓷型；3）全金属型2.7按冷却方式分 1）空气冷却；2）水冷却2.8按封装方式分 1）封离型；2）流动型谐振腔的材料一般为：金属—A1陶瓷—BeO，BN、AIN、Al2O3等三、 CO2激光器输出特性及其缺点3.1特性 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特点： 第一，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，可及固体激光器媲美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，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3.2 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”四、CO2激光器结构（1）封离式CO2激光器结构示意图 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：4.1 激光管 激光器中最关键的部分。
通常由硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构，由三部分组成（如图1所示）最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管 放电管能够影响激光的输出以及激光输出的功率，放电管长度及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 储气管及放电管的两端相连接，即储气管的一端有一小孔及放电管相通，另一端经过螺旋形回气管及放电管相通它的作用是可以使气体在放电管中及中循环流动，放电管中的气体随时交换4.2 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 4.3 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，在阴极及镜片之间加一光栏五、CO2激光器原理5.1 CO2分子的的能级结构及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分子为线性对称排列的三原子分子，三个原子排列成一条直线（分子轴），中间是碳原子，两端是氧原子分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动根据分子振动理论，CO2有三种不同的振动方式：①二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值，而此时分子中的碳原子静止不动，因而其振动被叫做对称振动。
②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，且振动方向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动由于三个原子的振动是同步的，又称为变形振动③三个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向及两个氧原子相反，又叫反对称振动能在这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级 5.2 CO2分子的振转跃迁 CO2分子二条最强的跃迁谱线 虽然有多条荧光谱线,但在激光器中能同时形成激光振荡的只有1至3条,这是因为同一振动能级的各转动能级之间靠得很近,粒子在能级间转移很快(10-7~ 10-8s),一旦某一转动能级上的粒子跃迁后,其他能级上的粒子就会按玻尔兹曼分布规律,转移到这个能级上来,而其他能级上的粒子数减少,这就是转动能级的竞争效应.由于这种竞争效应,如果工作条件使得某条谱线的增益系数较大,则此谱线首先起振,而同时抑制其他谱线振荡.5.3 CO2激光器激光上能级的激发过程1）电子直接碰撞激发式中: CO2*(00º1) --CO2分子的激发态 2）串级跃迁激发 3）共振转移激发 在CO2中掺有N2(氮)和CO,它们被电子碰撞激发到各自的激发态,这些激发态的分子可把能量转移给CO2基态,使CO2跃迁到00º1能级。
N2分子：CO分子：4）复合过程 放电过程中,有部分CO2分子会分解成CO和O,同时也存在CO和O的复合过程,在复合时,把原来分解时所需要的能重新释放出来,使CO2分子激发到00º1能级.这个过程比前三个过程起的作用小得多. 被激发到激光上能级(00º1)的CO2分子,除了受激辐射引起衰减外,还存在一些其他因素使其衰减.我们把后者引起的衰减称为消激发. 引起消激发的主要原因:碰撞和扩散.5.4 CO2激光器激光下能级的弛豫 由于CO2分子激光下能级10º0和02º0的辐射寿命很长,从激光上能级跃迁到这两个能级的粒子,不能靠自发辐射很快返回到基态,这必然会降低粒子反转数.为尽快抽空下能级,必须靠及其他粒子碰撞.碰撞抽空下能级的弛豫过程分为两步进行:第一步: 10º0和02º0能级的驰豫。