CO2激光器的應用

軍事上的應用

激光技術在軍事上應用中，在這近幾年里，CO2激光器在這方面得到了穩步的發展。

激光武器作為一種新概念武器,與傳統常規武器相比,以其速度快,方向性好,能量密度高,作戰耗費比高等優點,成為新世紀武器中的新寵.高能激光武器在軍事應用的方面扮演著越來越重要的角色,代表著未來武器的發展方向,將徹底改變目前的戰場環境和作戰方式,使未來戰爭的形態發生了深刻變革.高能氣動CO2激光器輸出功率大,曾被各國設計用于研制高能激光武器。

激光導彈防御或稱激光反導的基本特征是：用由光速的高能激光去摧毀聲速運行的導彈或其它飛行固體。我們可以說這方面是CO2激光器的天下，因為它有一些突出的優點。目前在陸軍中

采用的陸基小型激光反導系統、空軍采用的機載激光反未來的CO2激光武器主要的特點是超高功率和高便攜性。高能激光器是未來戰斗系統的重要組成部分，將在反監視、主動保護、防空和清除暴露地雷等方面做出貢獻。高便攜性將使單兵作戰的能力大極大的提高，充分發揮每一個兵的作用，當然目前這個想法還是僅僅處于理論階段。目前各國的激光武器都朝著這個方向努力，當然這個實導系統和海軍采用的艦載激光反導系統中都是使用高能CO2激光器。

未來的CO2激光武器將向著高功能、便攜式、殺傷力強發展。

醫療上的應用

近20年來激光技術在醫療有著飛速的進步，許多疾病和先天性的疾病都可以被成功地根治。

CO2激光手術采用的是自由光束CO2激光器，通常都是采用光束與皮膚組織非接觸的方式，比常規手術提供了更多便利的條件，包括減少機械損傷，增加周圍組織被保護等，并且更易保持無菌手術，與其他激光手術相比，CO2激光手術刀具有切割能力強，組織吸收系數大，組織穿透濃度較小（約0.23mm），手術時不易傷及動脈血管等，使得連續CO2激光被大量用于外科手術臨床治療。

但是連續CO2在臨床上對組織的損傷屬非選擇性的，手術治療后常常伴隨著皮膚疤痕等副作用。對病灶進行的切割或氣化時也有不同程度地損傷正常組織，因而不能適用于有較高要求的手術治療，這種情況嚴重地限制了CO2激光在醫療中的進一步應用。 

1983年，Aderson和Parrish提出了“選擇性光熱作用”原理，以進行激光的無損傷治療。這一原理的要點是：當激光通過正常組織到達病變靶組織時，應使靶組織對激光的吸收系數大于正常組織，其反差愈大愈好，以便在激光破壞靶組織時，不傷及正常組織；靶組織的熱弛豫時應大于激光的脈沖寬度或作用時間，使靶組織在激光加熱過程中，來不及將熱量向周圍正常組織擴散，以保護周圍正常組織。

基于“選擇性光熱作用”原理，90年代后出現了以超脈沖CO2激光治療機為代表的高能量脈沖醫療設備，并得到成功的應用，使得要求較高的應用領域得到突破性進展，特別是激光美容方面獨占鰲頭。發展前景十分廣闊。

超脈沖CO2激光器采用先進的脈沖技術和PWM電源控制技術，不僅能在極短時間內提高了激光輸出的峰值功率，向靶組織提供足夠的能量，而且可以通過PWM信號精確控制每個脈沖的寬度和脈沖重復頻率。通過計算靶組織的熱弛豫時間，控制脈沖寬度可實現最佳手術效果。如毛細血管的熱弛豫時間約為10μs，要求脈寬小于10μs；皮膚組織的熱弛豫時間大致為1 ms，要求做皮膚磨削除皺的激光儀的脈寬小于1 ms。現代激光儀與10余年前的激光儀的最大區別正是在于對脈寬的精確控制，這是現代激光治療安全性的根本保證。

超脈沖CO2激光治療機不但有連續CO2激光手術刀的共同特點，還具有本身的優點，可輸出高能量高重復頻率的的脈沖激光，可滿足“激光選擇性光熱作用”的操作要求，可以迅速有效地去除病變靶組織，最大限度地減少激光對正常組織的損傷，大大提高了醫學臨床的準確性和安全性。臨床實踐證明，在進行同一種手術時脈沖激光所使用的激光功率要比連續激光低得多，因而由激光手術引起的組織反應較輕，對周圍組織的損傷小，也縮短時間，治療時產生煙霧少，視野清晰。 超脈沖CO2激光器已經廣泛應用于耳鼻喉科（Otorhinolaryngology），婦科醫學（Gynecology），神經外科（Neurosurgery），一般手術（General Surgery），美容學（Aesthetics）。微橋點陣治療（Bridge Therapy）技術推出者Lumenis醫療激光公司已經研究并生產了各種CO2激光治療儀，像NovaPulse Series可用于耳鼻喉科和美容學，其他還有波蘭的CTL公司生產的MODEL CTL1401是一款手術儀，日本NANO LASER的GL－Ⅲ可用于口腔科的CO2激光治療儀，目前國內已有5個國家級激光技術研究中心，十幾個產品研發機構。醫療激光設備生產企業主要集中在上海，武漢，長春，北京，成都等城市或是周邊地區。例如擁有CO2激光治療技術的上海激光研究所，上海嘉定光電儀器有限公司，廣州市激光技術應用研究所，（不列出全部，排名不分主次）。中國的激光醫療技術與西方相比水平并不低，且中國有13億人口，故激光醫療器械的潛在需求巨大，今后10年，我國激光醫療器械市場將迎來一個新的繁榮期，超脈沖CO2激光將在這一大浪中起舉足輕重的地位。 

工業上的應用

(1) CO2激光器切割技術

激光切割技術廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。激光切割是應用激光聚焦后產生的高功率密度能量來實現的。與傳統的板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割質量、高的切割速度、高的柔性(可隨意切割任意形狀)、廣泛的材料適應性等優點。

激光切割技術分為金屬切割是CO2激光切割的最大支柱領域，目前從經濟上考慮，一般用大功率激光切割機按加工站形式提供代工，隨著國內中功率CO2激光器的成熟，各個鈑金廠會自購激光切割機，需求會大增。非金屬切割應用于刀模板切割，木材和高密度木質纖維板切割，塑膠切割。

(2) CO2激光器的焊接技術

激光焊接是一種材料連接方法，主要是金屬材料之間連接的技術。它和傳統的焊接技術一樣，通過將連接區的部分材料熔化而將兩個零件或部件連接起來。因為激光能量高度集中，加熱、冷卻的過程及其迅速，一些普通焊接技術難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強的材料，用激光很容易實現。另一方面，在激光焊接過程中無機械接觸，易保證焊接部位不因受力而發生變形，通過熔化最小數量的物質實現合金連接，從而大大提高焊接質量，提高生產率。激光焊的焊縫深度比大，而焊縫熱影響區極小，質量好。

例如：金屬薄板的焊接，中功率CO2激光器適合焊接1mm以下厚度的金屬薄板,如汽車部件，發電機、刮水機、啟動機、舉窗機等經常使用到的層疊狀的硅鋼片的固定,過去采用打孔銷釘固定，現在可以激光焊接。

電池焊接，鋰電池的生產工序如極耳焊接、安全閥焊接、負極焊接、外殼密封焊接使用激光焊接為最佳工藝，需要配備的激光焊接機的品種和數量十分巨大。精密儀表零件的激光焊接需求也在增大，如不銹鋼壓力膜片的焊接、航空儀表外殼的焊接。

CO2激光器的研究現狀與發展前景

CO2激光器的研究現狀

CO2激光器從誕生到現在的近50年時間里一直被人類所關注，二氧化碳激光器是以CO2氣體作為工作物質的氣體激光器。CO2激光器是一種比較重要的氣體激光器，目前對CO2激光器的研究方向主要朝一下幾個方面：

第一， 高效率的CO2激光器。

顯然，相對于固體激光器其效率是非常高的，但是總體而言，相對于CO2激光器本身其效率還是相對較低的。1964年，通過使用N2，轉換效率達到3%；1965年，通過使用CO2-N2-He混合氣體，轉換效率達到6%。到目前為止，其最高效率也不會超過60%。在效率提高方面許多公司研究，已美國大通公司為例，研究的CO2激光器的效率已達到60%左右。國內研究較好的公司大都具有軍方背景，目前效率已接近國外水平，代表公司為北京中科思遠光電科技。

第二， 小體積多功能CO2激光器。

目前大部分的CO2激光器功能單一，只能夠從事某一項非常具體的工作。我們知道大型醫院里使用的CO2祛斑激光器和CO2除毛激光器，他們的體積都非常的龐大，但是結構基本相同。使用多功能CO2激光器的話，占用的體積小，而且售價相對也低了許多。

在這個方面國內的研究處于國際水平了，當然研究機構大都是具有醫院背景的。例如擁有完全的自主產權的吉林省科英激光技術有限責任公司，已研究出小體積多功能 CO2激光器（醫療美容）。

第三， 高功率CO2激光器

高功率一直都是軍方的追求目標，在這方面國內的一些軍工企業

的研究水平還是相對落后。美國空軍最早開始著手研究高功率CO2激光器。1975年，也就是CO2誕生的十一周年，美國空軍醫研制出功率達到30KW級別的CO2激光器。1988年，研究的CO2激光的輸出功率已達到380KW。目前根據美國軍方公布的部分數據，研制的CO2激光器輸出功率已達到千萬瓦級別。

第四， 工業技術的研究

CO2激光器在激光加工方面占主導地位，它廣泛的用于焊接，切割，熱處理和清洗等方面，輸出激光的質量和功率都有很明確的要求。因此，工業中的CO2激光器要有高質量的激光光束和穩定的輸出功率。在這個方面我們一直跟在國外公司的后面，畢竟我們在工業方面的研究晚了近十年。在企業中，使用較多的CO2激光器為美國的大通公司所生產的。

激光應用已經遍及光學、醫學、原子能、天文、地理、海洋等領域，它標志著新技術革命的發展。如果將激光發展的歷史與電子學及航空發展的歷史相比，你不得不意識到現在還是激光發展的早期階段，更令人激動的美好前景將要來到。 

CO2激光器的發展前景

未來的CO2激光器將朝著以下幾個方向發展：

(1) 高功率橫流CO2激光器。

高功率橫流CO2激光器，用于激光加工和熱處理，激光器的整機呈一體化的箱體。箱體的上箱體中置有一體化的放電室、熱交換器、風機系統、進出口導流器以及光學諧振腔，箱體的下箱體中置有激光電源、充放氣系統、真空泵、鎮流電阻箱和控制盒。與已有技術相比具有結構緊湊、安裝調試和維修方便、激光器的工作效率高，整機的體積可以小型化的特點。它主要應用于金剛石工具、汽車齒輪、汽車安全氣囊氣體發生器等焊接中的應用，激光表面淬火與熔覆工藝及其在鋼鐵軋輥表面熔凝淬火、石油化工零件表面修復等方面的特殊應用。

(2) 聲光調Q CO2激光器：為滿足激光測距、環境探測、空間通訊及激光與物質相互作用機理研究等領域應用要求，研制了聲光調Q C02激光器。針對影響聲光調Q CO2：激光器輸出的各種因素，利用調Q脈沖激光器速率方程對該激光器輸出的主要技術參數進行了理論分析和計算，提出了聲光調Q CO2：激光器優化設計的方法，并進行了驗證實驗。激光器脈沖重復頻率為lHz～50 kHz，在l kHz運轉時獲得的輸出激光脈沖寬度為180 ns，峰值功率為4062 W，與理論計算基本一致。結果證明：通過聲光晶體(AO)的優選及諧振腔的合理設計。可實現小型CO2激光器的高重頻、窄脈寬，高峰值功率輸出，并可通過光柵選線的設計方式和TTL信號控制實現此類激光器的波長調諧和編碼輸出。

(3)緊湊型長壽命射頻激勵波導CO2激光器 :為了使CO2激光器在工業加工及軍事上有更廣泛的應用,采用鋁合金拉制型材作為激光器殼體、盤裝電感代替傳統線繞電感的結構以及全金屬封接工藝等,研制出一種緊湊型長壽命射頻激勵波導CO2激光器.可連續輸出或在不高于20kHz調制頻率下脈沖輸出,最大輸出功率30W,實測工作壽命超過1500h,存儲壽命超過1.5a.結果表明,這種激光器具有結構緊湊、輸出功率穩定、工作壽命長、可連續及脈沖調制工作等特點,除了能滿足各種材料的加工,也可在軍事上應用。

(4)新型便攜式TEA CO2激光器：它是一種新型便攜式橫向激勵大氣壓CO2激光器。該激光器采用4節5號充電電池直流供電,在1 Hz重復頻率條件下,可連續工作1 h.激光器整機(包括電源及控制系統)尺寸為200 nm×200 mm × 360 mm,質量小于8 kg.激光器使用紫外電暈預電離方式,放電均勻、穩定.自由振蕩情況下,激光脈沖輸出能量達到35 mJ,輸出脈沖寬度為70 ns。

(5)高功率連續CO2激光器：針對直升飛機發動機渦輪葉片采用連續激光熔覆出現裂紋及葉片變形的問題,在5 kW連續橫流CO2激光器上,采用新的電源控制方案,通過軟件及相關控制,實現了脈沖激光功率輸出.克服了采用高功率開關電源帶來的成本和穩定性問題.且脈沖調制頻率可達到5 Hz,調制占空比可達到5%～100%.當采用4 kW峰值功率,4 Hz脈沖重復頻率,占空比為20%時,在發動機葉片K403合會表面進行合金粉末Stellite X-40的熔覆實驗.結果表明,熔覆后熱影響區比連續激光減少50%,硬度提高5%,界面結合性能與母材相當,無熔覆裂紋及葉片變形。