二氧化碳激光器

二氧化碳激光器制备方法摘要：本文从引言出发介绍了CO2激光技术的基本情况，简单介绍了激光和激光器的一些特点，重点介绍了气体激光器中的CO2激光器的相关应用，目前CO2激光器是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的高功率、高质量等优点。

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、医疗和工业三个主要领域的应用，最后介绍应用型CO2激光器的研究前景和现状。

通过这些介绍使得人们能够加深对CO2激光器的了解和认识。

关键词: CO2激光器；基本原理；基本结构；应用；Abstract: This departure from the introduction of CO2 laser technology, introduced the basic situation, briefly introduced some of the characteristics of laser and laser to highlight the CO2 gas laser in laser-related applications, the current CO2 laser was one of the most extensive laser, it had some very prominent high-power, high quality and so on. Paper introduced the application of CO2 laser-type basic structure and working principle, focusing on the application type CO2 laser in the military, medical and industrial application of the three main areas, Finally, applied research prospects for CO2 laser and status. Through these presentations allowed people to deepen their knowledge and understanding of COs lasers. Keywords: CO2 Laser Basic Principle Basic Structure Application1.引言（二氧化碳激光器的发展历史）1964年由Patel在CO2气体放电中，获得了波长在10.4微米和9.4微米附近的连续激光输出，世界上第一台CO2分子的激光器诞生了。

它有比较大的功率和比较高的能量转换效率。

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。

其在工业、军事、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，给我们的实现生活带了许多便利。

1966年气动CO2激光器诞生了，从此CO2激光器受到了极大的关注。

由于激光技术中气动技术的引进，CO2激光器开辟了广阔的运用前景。

伴随着科学技术的进步，世界各国的激光技术也得到了相应的发展，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。

在激光的发展和应用方面，CO2激光器的制作和应用较早也较多，早在1970年代末期，就有从国外直接进口CO2激光器，从事工业加工和医疗等应用。

从80年代末期开始，CO2激光器被广泛引进并应用在在材料加工领域。

本文主要介绍的CO2激光器的基本原理和基本结构，并着重从三个方面介绍了CO2激光器的应用，最后介绍了CO2激光器的研究现状和发展前景。

2.二氧化碳激光器的工作原理2.1 CO2激光器的基本结构如图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7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。

2.2 CO2 激光器基本工作原理如下图2所示为CO2激光器的产生激光的分子能级图。

从图2中可以分析得到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图2 CO2分子激光跃迁能级图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。

2.3 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％，9 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”.3.二氧化碳激光器的应用3.1 军事上的应用激光技术在军事上应用中，在这近几年里，CO2激光器在这方面得到了稳步的发展。

激光武器作为一种新概念武器,与传统常规武器相比,以其速度快,方向性好,能量密度高,作战耗费比高等优点,成为新世纪武器中的新宠.高能激光武器在军事应用的方面扮演着越来越重要的角色,代表着未来武器的发展方向,将彻底改变目前的战场环境和作战方式,使未来战争的形态发生了深刻变革.高能气动CO2激光器输出功率大,曾被各国设计用于研制高能激光武器。

激光导弹防御或称激光反导的基本特征是：用由光速的高能激光去摧毁声速运行的导弹或其它飞行固体。

我们可以说这方面是CO2激光器的天下，因为它有一些突出的优点。

目前在陆军中采用的陆基小型激光反导系统、空军采用的机载激光反未来的CO2激光武器主要的特点是超高功率和高便携性。

高能激光器是未来战斗系统的重要组成部分，将在反监视、主动保护、防空和清除暴露地雷等方面做出贡献。

高便携性将使单兵作战的能力大极大的提高，充分发挥每一个兵的作用，当然目前这个想法还是仅仅处于理论阶段。

目前各国的激光武器都朝着这个方向努力，当然这个实导系统和海军采用的舰载激光反导系统中都是使用高能CO2激光器。

未来的CO2激光武器将向着高功能、便携式、杀伤力强发展。

如图3所示：高便携性将使单兵作战的能力大极大的提高，充分发挥每一个兵的作用，当然目前这个想法还是仅仅处于理论阶段。

目前各国的激光武器都朝着这个方向努力，当然这个实导系统和海军采用的舰载激光反导系统中都是使用高能CO2激光器。

未来的CO2激光武器将向着高功能、便携式、杀伤力强发展。

如图3所示：图3 CO2激光器军事上的应用3.2 医疗上的应用近20年来激光技术在医疗有着飞速的进步，许多疾病和先天性的疾病都可以被成功地根治。

CO2激光手术采用的是自由光束CO2激光器，通常都是采用光束与皮肤组织非接触的方式，比常规手术提供了更多便利的条件，包括减少机械损伤，增加周围组织被保护等，并且更易保持无菌手术，与其他激光手术相比，CO2激光手术刀具有切割能力强，组织吸收系数大，组织穿透浓度较小（约0.23mm），手术时不易伤及动脉血管等，使得连续CO2激光被大量用于外科手术临床治疗。