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1、第四章第四章 二氧化碳激光器二氧化碳激光器一、一、CO2激光器的特点简介激光器的特点简介v二氧化碳激光器有较大的功率和较高的能量转换效率。是目二氧化碳激光器有较大的功率和较高的能量转换效率。是目前连续输出功率较高的一种激光器。前连续输出功率较高的一种激光器。v它发展较早，商业产品较为成熟，被广泛应用到材料加工、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。医疗使用、军事武器、环境量测等各个领域。vCO2激光器种类很多，主要有封离型、流动激光器种类很多，主要有封离型、流动(纵向和横向纵向和横向)型、型、大气压型、气动型以及波导等结构形式；激励方式有低
2、功率大气压型、气动型以及波导等结构形式；激励方式有低功率器件采用的纵向气体放电激励、大功率器件采用的横向气体器件采用的纵向气体放电激励、大功率器件采用的横向气体放电激励、射频激励、化学、气动、电子束激励等。放电激励、射频激励、化学、气动、电子束激励等。封离式封离式CO2激光器结构示意图激光器结构示意图CO2激光器的输出特性有两个显著的特点激光器的输出特性有两个显著的特点:(1)输出功率或能量相当大，能量转换效率高。输出功率或能量相当大，能量转换效率高。CO2激光器连续输出功率可达数百激光器连续输出功率可达数百KW，是所有激光器中，是所有激光器中连续输出功率最高的器件；脉冲输出能量可达数十连续输
3、出功率最高的器件；脉冲输出能量可达数十KJ；脉宽可；脉宽可压缩到压缩到ns量级；脉冲功率密度可达量级；脉冲功率密度可达TW量级。量级。(2)输出波长分布在输出波长分布在918m波段，已观察到的激光谱线波段，已观察到的激光谱线200多条。多条。其中，其中，911m红外波段中最重要的输出波长红外波段中最重要的输出波长10.6m，处于大，处于大气传输的窗口，有利于激光测距、激光制导、大气通信等方面气传输的窗口，有利于激光测距、激光制导、大气通信等方面的应用，且该波长对人眼安全。的应用，且该波长对人眼安全。CO2激光器于激光器于1964年问世。年问世。CO2激光器的优点激光器的优点CO2激光具有波段优
4、势，工作波长激光具有波段优势，工作波长10.6um恰好处于大气长波红恰好处于大气长波红外窗口范围，受环境因素的影响较小，可以全天候工作；外窗口范围，受环境因素的影响较小，可以全天候工作；在能见度低的恶劣战场条件（烟尘、烟雾、雨天、人工烟雾等）在能见度低的恶劣战场条件（烟尘、烟雾、雨天、人工烟雾等）下，其透明度大大高于下，其透明度大大高于1.06um固体固体Nd+3:YAG激光器；激光器；在战场条件下，传输在战场条件下，传输10km时，时，10.6um激光传输衰减比激光传输衰减比1.06um激光低激光低20dB；CO2激光可对散射截面小的弱目标尤其是红外隐身目标进行有激光可对散射截面小的弱目标尤
5、其是红外隐身目标进行有效探测，具有极高的灵敏度；效探测，具有极高的灵敏度；与与814um的热成像系统具有很好的兼容性，容易实现主、被动的热成像系统具有很好的兼容性，容易实现主、被动复合制导；复合制导；CO2激光波长处在人眼安全波长限之上，在中小功率照射下，激光波长处在人眼安全波长限之上，在中小功率照射下，不会伤损人的视网膜。不会伤损人的视网膜。CO2激光器的应用激光器的应用低功率（低功率（1600W）主要被应用在金属焊接和表面处理上，在工业先进国家已逐主要被应用在金属焊接和表面处理上，在工业先进国家已逐渐被国防、汽车和航天工业里一些特殊领域所采用。渐被国防、汽车和航天工业里一些特殊领域所采用。
6、CO2激光器的激励方式激光器的激励方式按照激励方式，可分为按照激励方式，可分为直流激励、交流高频激励、射频直流激励、交流高频激励、射频激励和微波激励。激励和微波激励。从从70年代末开始，国外进行了高频（年代末开始，国外进行了高频（HF）、射频）、射频（RF）、微波（）、微波（MW）激励工业用）激励工业用CO2激光器的研究。激光器的研究。高频激励或称无声放电（高频激励或称无声放电（SD）高功率）高功率CO2激光器，激激光器，激励频率为励频率为100200kHz，获得了，获得了15kW的激光功率。射的激光功率。射频激励恒流频激励恒流CO2激光器已获得激光器已获得110kW的功率输出，最的功率输出，
7、最大功率有望达到大功率有望达到100kW。德国。德国90年代发展的年代发展的8kW的振的振荡器荡器-放大器系统，使用频率为放大器系统，使用频率为2.45GHz的微波激励。的微波激励。直流激励直流激励由于输出功率大、技术简单、成本低等因素，第一代工业用由于输出功率大、技术简单、成本低等因素，第一代工业用CO2激光器使用直流激励，现在它仍占据着最大的市场。随着半导体激光器使用直流激励，现在它仍占据着最大的市场。随着半导体和电子技术的迅猛发展，和电子技术的迅猛发展，CO2激光器直流激励电源也随之由低频激光器直流激励电源也随之由低频工作方式向高频工作方式的方向发展，从简单的串联线性调整电工作方式向高频
8、工作方式的方向发展，从简单的串联线性调整电源到可控硅中频电源源到可控硅中频电源,发展到高频高效开关电源。直流激励高频发展到高频高效开关电源。直流激励高频开关电源替代低频电源是激光工业发展的必然趋势。开关电源替代低频电源是激光工业发展的必然趋势。直流激励激光器虽然应用广泛，但存在着以下缺点：直流激励激光器虽然应用广泛，但存在着以下缺点：（1）镇流电阻要消耗）镇流电阻要消耗1/31/4的能量，光电转换效率低的能量，光电转换效率低（2）放电的不稳定性，限制了注入功率密度的提高；）放电的不稳定性，限制了注入功率密度的提高；（3）电源功率因数低，不利于节能；）电源功率因数低，不利于节能；（4）很难做到连
9、续脉冲运行转换，无法满足高性能激光加工的）很难做到连续脉冲运行转换，无法满足高性能激光加工的要求；要求；（5）放电电压太高，给更高频率的高压电源的研制带来困难。放电电压太高，给更高频率的高压电源的研制带来困难。为了改善为了改善CO2激光器的性能，克服直流激励存在的激光器的性能，克服直流激励存在的缺点，提出了交流高频放电缺点，提出了交流高频放电CO2激光器技术。高频激光器技术。高频放电频率通常在几十放电频率通常在几十几百几百kHz，其电路可采用晶，其电路可采用晶体管和高频变压器组成逆变开关电源。体管和高频变压器组成逆变开关电源。实验表明，采用高频放电激励提高了放电的稳定实验表明，采用高频放电激励
10、提高了放电的稳定性，在没有任何匹配措施，也没有加任何镇流电阻性，在没有任何匹配措施，也没有加任何镇流电阻的情况下，获得了大面积均匀稳定的辉光放电。而的情况下，获得了大面积均匀稳定的辉光放电。而全晶体管化的电源减小了体积，意味着这种放电激全晶体管化的电源减小了体积，意味着这种放电激励技术具有提高输出功率的潜力，从而为励技术具有提高输出功率的潜力，从而为CO2激光激光器的小型化研究提供了新的途径。器的小型化研究提供了新的途径。交流高频激励交流高频激励射频激励射频激励射频激励是射频激励是CO2气体激光技术发展的新方向，由于具有气体激光技术发展的新方向，由于具有完全独特的优势，近完全独特的优势，近20
11、年来得到了迅速的发展。年来得到了迅速的发展。突出优点：突出优点：v射频气体放电具有正向伏安特性，可实现持续放电，电射频气体放电具有正向伏安特性，可实现持续放电，电能利用率高；能利用率高；v放电稳定，可实现大面积均匀放电；放电稳定，可实现大面积均匀放电；v注入功率密度高，器件的体积大为缩小；注入功率密度高，器件的体积大为缩小；v工作电压低，有利于提高器件寿命，并且使用安全；工作电压低，有利于提高器件寿命，并且使用安全；v射频波可实现高频幅度调制，输出光功率的控制程度高；射频波可实现高频幅度调制，输出光功率的控制程度高；v能灵活地实现从连续到脉冲的转换以及脉宽和脉冲频率能灵活地实现从连续到脉冲的转
12、换以及脉宽和脉冲频率的调节。的调节。Output power 1 - 6 kWDC 060 W谐振腔谐振腔激光激光输出输出气瓶气瓶电气单元电气单元激光头组成激光头组成 I射频电源射频电源真空泵真空泵激光输出激光输出ROFIN DC Series激光头组成激光头组成 II射频射频CO2激光器原理激光器原理 1.Laserbeam激光束激光束2.Beamshapingunit光束光束整形单元整形单元3.Outputmirror输出镜输出镜4.Coolingwater冷却水冷却水5.RFexcitation射频激励射频激励6.Coolingwater冷却水冷却水7.Rearmirror后反射镜后反射
13、镜8.RFexciteddischarge射射频放电区频放电区9.Waveguidingelectrodes波导电极波导电极微波放电激励微波放电激励目前，射频激励目前，射频激励CO2激光器最大的不足是需要十分昂贵的射频功激光器最大的不足是需要十分昂贵的射频功率发生器，且运行花费高，这大大影响了它的广泛使用。为此，率发生器，且运行花费高，这大大影响了它的广泛使用。为此，人们尝试其它新的激励方式。现在，这种研究在实验室已初步人们尝试其它新的激励方式。现在，这种研究在实验室已初步获得成功，即采用微波（获得成功，即采用微波（MW）放电方式激励激光器。微波激）放电方式激励激光器。微波激励励CO2激光器通
14、常是将激光放电管置于微波波导或谐振腔中，激光器通常是将激光放电管置于微波波导或谐振腔中，通过微波行波场或驻波场使通过微波行波场或驻波场使CO2气体产生激发而获得激光输出。气体产生激发而获得激光输出。微波激励频率在微波激励频率在1GHz以上，其放电电极形式多为螺旋型平行以上，其放电电极形式多为螺旋型平行电极结构，采用磁控管微波发生器作电源，电能用波导管传输。电极结构，采用磁控管微波发生器作电源，电能用波导管传输。小结小结CO2激光器激励电源的发展过程和总体趋势为：从直流到交激光器激励电源的发展过程和总体趋势为：从直流到交流，由低频到高频，再到射频和微波，电源频率不断提高。流，由低频到高频，再到射
15、频和微波，电源频率不断提高。相对于直流激励，交流激励激光器体积小、重量轻、稳定性相对于直流激励，交流激励激光器体积小、重量轻、稳定性好、高效节能，且放电电压低，可以脉冲输出。以现有的技好、高效节能，且放电电压低，可以脉冲输出。以现有的技术，术，射频激励具有最佳综合性能射频激励具有最佳综合性能，高频激励次之，微波激励，高频激励次之，微波激励是一种很有希望的技术，直流激励将慢慢被淘汰。是一种很有希望的技术，直流激励将慢慢被淘汰。今后，高频激励技术的发展方向是增大功率输出和减小体积。今后，高频激励技术的发展方向是增大功率输出和减小体积。射频激励的主要目标是降低电源价格，控制辐射污染，大力射频激励的主
16、要目标是降低电源价格，控制辐射污染，大力发展扩散型冷却波导激光技术。而经过激光科研工作者的不发展扩散型冷却波导激光技术。而经过激光科研工作者的不懈努力，相信不久的未来，性能高、价格低、安全环保的微懈努力，相信不久的未来，性能高、价格低、安全环保的微波激励波激励CO2激光器将在激光市场中占据一席之地。激光器将在激光市场中占据一席之地。（一）（一）CO2分子的能级结构及振分子的能级结构及振-转跃迁转跃迁A）CO2分子的能级结构分子的能级结构v分子的总能量包括四部分：分子的总能量包括四部分：电子绕核运动的能量；电子绕核运动的能量；分子中原子的振动能量；分子中原子的振动能量；分子的转动能量；分子的转动能量；平动能量。平动能量。除平动能量外，前三种运动的能量都是量子化的。相邻电子除平动能量外，前三种运动的能量都是量子化的。相邻电子能级、振动能级及转动能级间能量差的比例约为能级、振动能级及转动能级间能量差的比例约为104：102：1。二、二、CO2激光器的工作原理激光器的工作原理(1)对称振动。对称振动。CO2分子中的分子中的2个原子沿分子轴同时朝向个原子沿分子轴同时朝向或同时背向碳原子振动，碳原
