CO2激光器原理

激光

激光的最初的中文名叫做“鐳射”或“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個(gè)字母組成的縮寫詞。意思是"通過受激發(fā)射光擴(kuò)大"。激光的英文全名已經(jīng)完全表達(dá)了制造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。

激光產(chǎn)生的三個(gè)條件

激光產(chǎn)生的三個(gè)條件如下：

(1) 有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，其激活粒子（原子、分子或離子）有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級(jí)結(jié)構(gòu)；

(2) 有外界激勵(lì)源，將下能級(jí)的粒子抽運(yùn)到上能級(jí)，使激光上下能級(jí)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；

(3) 有光學(xué)諧振腔，增長激活介質(zhì)的工作長度，控制光束的傳播方向，選擇被放大的受激輻射光頻率以提高單色性。

激光的特點(diǎn)

激光與普通意義上的光源相比較激光主要有四個(gè)特點(diǎn)：方向性好、亮度極高、單色性好、相干性好。

激光器

激光器是一種能發(fā)射激光的裝置。1954年制成了第一臺(tái)微波量子放大器，獲得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯把微波量子放大器原理推廣應(yīng)用到光頻范圍，并指出了產(chǎn)生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺(tái)紅寶石激光器。1961年A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導(dǎo)體激光器。以后，激光器的種類就越來越多。

除自由電子激光器外，各種激光器的基本工作原理均相同，產(chǎn)生激光的必不可少的條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和增益大過損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵(lì)（或抽運(yùn)）源、具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作介質(zhì)兩個(gè)部分。激勵(lì)是工作介質(zhì)吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。激勵(lì)方式有光學(xué)激勵(lì)、電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)和核能激勵(lì)等。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級(jí)是使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實(shí)現(xiàn)光放大。激光器中常見的組成部分還有諧振腔，但諧振腔（見光學(xué)諧振腔）并非必不可少的組成部分，諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和運(yùn)行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地縮短工作物質(zhì)的長度，還能通過改變諧振腔長度來調(diào)節(jié)所產(chǎn)生激光的模式（即選模），所以一般激光器都具有諧振腔。

激光器的種類是很多的。下面，將分別從激光工作物質(zhì)、激勵(lì)方式、運(yùn)轉(zhuǎn)方式等幾個(gè)方面進(jìn)行分類介紹。

(1)按工作物質(zhì)分類

根據(jù)工作物質(zhì)物態(tài)的不同可把所有的激光器分為以下幾大類：①固體（晶體和玻璃）激光器；②氣體激光器，而進(jìn)一步區(qū)分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準(zhǔn)分子氣體激光器等；③液體激光器，這類激光器所采用的工作物質(zhì)主要包括兩類，一類是有機(jī)熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無機(jī)化合物溶液；④半導(dǎo)體激光器；⑤自由電子激光器。

(2)按激勵(lì)方式分類

①光泵式激光器；②電激勵(lì)式激光器；③化學(xué)激光器；④核泵浦激光器。

(3)按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類

由于激光器所采用的工作物質(zhì)、激勵(lì)方式以及應(yīng)用目的的不同，其運(yùn)轉(zhuǎn)方式和工作狀態(tài)亦相應(yīng)有所不同，從而可區(qū)分為以下幾種主要的類

①連續(xù)激光器；②單次脈沖激光器；③重復(fù)脈沖激光器；④調(diào)激光器；⑤鎖模激光器；⑥單模和穩(wěn)頻激光器；⑦可調(diào)諧激光器。

CO2激光器的原理

1 CO2激光器的基本結(jié)構(gòu)

構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。

基本結(jié)構(gòu)：

① 激光管

激光器中最關(guān)鍵的部分。通常由三部分組成

放電空間（放電管）、水冷套（管）、儲(chǔ)氣管。

放電管通常由硬質(zhì)玻璃制成，一般采用層套筒式結(jié)構(gòu)。它能夠影響激光的輸出以及激光輸出的功率，放電管長度與輸出功率成正比。在一定的長度范圍內(nèi)，每米放電管長度輸出的功率隨總長度而增加。一般而言，放電管的粗細(xì)對(duì)對(duì)輸出功率沒有影響。

水冷套管的和放電管一樣，都是由硬質(zhì)玻璃制成。它的作用是冷卻工作氣體，使得輸出功率穩(wěn)定。

儲(chǔ)氣管與放電管的兩端相連接，即儲(chǔ)氣管的一端有一小孔與放電管相通，另一端經(jīng)過螺旋形回氣管與放電管相通。它的作用是可以使氣體在放電管中與中循環(huán)流動(dòng)，放電管中的氣體隨時(shí)交換。

② 光學(xué)諧振腔

光學(xué)諧振腔由全反射鏡和部分反射鏡組成，是CO2激光器的重要組成部分。光學(xué)諧振腔通常有三個(gè)作用：控制光束的傳播方向，提高單色性；選定模式；增長激活介質(zhì)的工作長度。

最簡單常用的激光器的光學(xué)諧振腔是由相向放置的兩平面鏡（或球面鏡）構(gòu)成。CO2激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡采用由K8光學(xué)玻璃或光學(xué)石英加工成大曲率半徑的凹面鏡，在鏡面上鍍有高反射率的金屬膜——鍍金膜，使得波長為10.6μm的光反射率達(dá)98.8％，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。我們知道二氧化碳發(fā)出的光為紅外光，因此反射鏡需要應(yīng)用透紅外光的材料。因?yàn)槠胀ü鈱W(xué)玻璃對(duì)紅外光不透，就要求在全反射鏡的中心開一小孔，再密封上一塊能透過10.6μm激光的紅外材料，以封閉氣體，這樣就使諧振腔內(nèi)激光的一部分從這一小孔輸出腔外，形成一束激光。

③電源及泵浦

泵浦源能夠提供能量使工作物質(zhì)中上下能級(jí)間的粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)。封閉式CO2激光器的放電電流較小，采用冷電極，陰極用鉬片或鎳片做成圓筒狀。30～40mA的工作電流，陰極圓筒的面積500cm2，不致鏡片污染，在陰極與鏡片之間加一光欄。

2 CO2 激光器基本工作原理

CO2激光的激發(fā)過程，主要的工作物質(zhì)由CO2，氮?dú)?，氦氣三種氣體組成。其中CO2是產(chǎn)生激光輻射的氣體、氮?dú)饧昂鉃檩o助性氣體。加入的氦有兩個(gè)作用：一個(gè)是可以加速010能級(jí)熱弛預(yù)過程，因此有利于激光能級(jí)100及020的抽空；另一個(gè)是實(shí)現(xiàn)有效的傳熱。氮?dú)獾募尤胫饕贑O2激光器中起能量傳遞作用，為CO2激光上能級(jí)粒子數(shù)的積累與大功率高效率的激光輸出起到強(qiáng)有力的作用。

泵浦采用連續(xù)直流電源激發(fā)。它的直流電源原理：直流電壓為把接入的交流電壓，用變壓器提升，經(jīng)高壓整流及高壓濾波獲得高壓電加在激光管上。

CO2激光器是一種效率較高的激光器，不易造成工作介質(zhì)損害，發(fā)射出10.6μm波長的不可見激光，是一種比較理想的激光器。按氣體的工作形式可分為封閉式及循環(huán)式，按激勵(lì)方式分電激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)，熱激勵(lì)，光激勵(lì)與核激勵(lì)等。在醫(yī)療中使用的CO2激光器幾乎百分之百是電激勵(lì)。

CO2激光器的基本工作原理：與其它分子激光器一樣，CO2激光器工作原理其受激發(fā)射過程也較復(fù)雜。分子有三種不同的運(yùn)動(dòng)，即分子里電子的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)決定了分子的電子能態(tài)；二是分子里的原子振動(dòng)，即分子里原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動(dòng)——并決定于分子的振動(dòng)能態(tài)；三是分子轉(zhuǎn)動(dòng)，即分子為一整體在空間連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，分子的這種運(yùn)動(dòng)決定了分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能態(tài)。分子運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜，因此能級(jí)也很復(fù)雜。

CO2激光器產(chǎn)生激光：在放電管中，通常輸入幾十mA或幾百mA的直流電流。放電時(shí)，放電管中的混合氣體內(nèi)的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來。這時(shí)受到激發(fā)的氮分子便和CO2分子發(fā)生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子，CO2分子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生激光。

3 CO2激光器的優(yōu)缺點(diǎn)

與其它激光器相比，CO2激光器有著以下優(yōu)缺點(diǎn)，如下：

優(yōu)點(diǎn)：具有較好的方向性、單色性和較好的頻率穩(wěn)定性。而氣體的密度小，不易得到高的激發(fā)粒子濃度，因此，CO2氣體激光器輸出的能量密度一般比固體激光器小。

缺點(diǎn)：CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會(huì)超過40％，這就是說，將有60％以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級(jí)的消激發(fā)和激光下能級(jí)的熱激發(fā)，這都會(huì)使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導(dǎo)致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。這些因素都會(huì)使激光器的輸出功率下降，甚至產(chǎn)生“溫度猝滅”。