CO2激光器原理与应用

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1、C02激光器原理与应用C02激光器原理及其应用课程激光原理与技术班级光信息121801班学 号 201218010126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、C02激光器简介1二、co,激光器分类2三、CO?激光器输出特性及其缺点3四、CO?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 网分子的振转跃迁55.3 CO?激光器激光上能级的激发过程65.4 CO?激光器激光下能级的弛豫75.5 (激光器激光产生7六、C02激光器的应用86.1工业应用86. 2医疗应用86.3 军事应

2、用96.4 环境应用9七、CO2激光器发展特点106.5 发展历史106.6 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. 6pm。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

3、核聚变研究中的重大成果。论文首先介绍了应用型CO?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CO? 激光器的了解和认识。一、C02激光器简介1964年，Patel等人首先发现了用CO?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CO?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

4、现高效率与高功 率输出。CO?分子气体激光器中主要物质为C02,辅助气体有氮气，氮气等。它 的光电转换效率（输出激光功率与输出电功率之比）较高，一般为15%左右，输出 功率从瓦级直到万瓦级。由于C02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：82、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

5、。第#页二、C02激光器分类2.1按输出方式分1）连续输出；2）脉冲输出一调制频率高达1MHz；3） Q开关输出一一电光调Q与声光调Q。2. 2按谐振腔的工作分1）波导腔孔径D=13mm；2）自由空间腔一孔径D=46mm。2. 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型一一2折；Z型一3折；X型4折。（b）列阵腔：短肩列阵；交错列阵。（c）积木式：并联一2腔；三角组联一3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）准电感谐振技术一用于低电容激光头；2）平行分布电感谐振技术一用于高电容激光头。2. 6按谐振腔材

6、料分1）陶瓷一金属混合型；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：金属一AL陶瓷一BeO, BN、AIN、A1203等。三、C02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ca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co?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

7、体激光器媲美。co2激光 器的能量转换效率可达3040%,这也超过了一般的气体激光器。第二，它是利用ca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82激光器，甚 至可做到从910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，C02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C02激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过4

8、0%,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、C02激光器结构(1)封离式C02激光器结构示意图如图1所示是为一种典型的C02激光器结构示意图。构成ca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

9、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。4. 2光学谐振腔光学谐振

10、腔由全反射镜和部分反射镜组成，是CO?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。82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一镀金膜，使得 波长为10.6 pm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10.6以山 激光的红外

11、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，阴极用铝片或银片做成圆筒状。3040mA的工作电流，阴极圆筒的面积500cm3,不致镜片污染，在阴极与镜片之间加一 光栏。五、CO2激光器原理5.1 CO2分子的的能级结构与其它分子激光器一样，C0?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一 一并决定于分子的振

12、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，（A有三种不同的振动方式：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。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

13、为变形振动。三个原子 沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，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。C6分手的振动能级图5-2 CO2分子的振转跃迁CO2分子二条最强的跃迁谱线激光（106乂e）* pm）0240271 61pm1000W：。-9Z.2EZ（1. 39pm）10。0，；coRoomax激光能级跃迁图10.6 P m 000 1 -10009.6 u m 00 1 - 0200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）,

14、 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 COz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*(oo 1)ca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C0,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000 1能级。N2分子：C0分子：CO2(100) + C02(000) 2co2 (0

15、1,0) + 52cm-14)复合镰(020) + C02(000) 2co之(0VO)-50cm-1放电过程中,有部分C02分子会分解成co和0,同时也存在8和0的复合过 程,在复酬胞施弼颁碉琥盘醐能重新酶S潟淮礴分钾凝勤孙1能 级懦邮翻瞅拖褊射引起衰减外,还存在- 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 3W寐做那能姗显匕)+ 姬颂场卿也匿物馆鸳也即期毒中很片阳眸娜摩迁 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,必须靠与其他粒子碰撞.碰撞抽空下能级的弛豫过程分 为两步进行：第一步：10。和02。能级的驰豫N； (% = 1,2,3 )+ CQ(000)”/V2(v = 0) + C。；(00。匕=123 - ) + AE第二步:斗狼能级的驰段、ca(v = i)+ co2(oo()o)tCO(v = 0) + co2ooi)实验发现,C02激光下能级的