二氧化碳激光器

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,这是最强的物质处理激光。

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。

二氧化碳激光是一种分子激光。主要的物质是二氧化碳分子。它可以表现多种能量状态这要视其震动和旋转的形态而定。基本的能量网状见图1。二氧化碳里的混合气体是由于电子释放而造成的低压气体(通常30-50托)形成的等离子

。如麦克斯韦-波尔兹曼分布定律所说,在等离子里,分子呈现多种兴奋状态。一些会呈现高能态(00o1)其表现为不对称摆动状态。当与空心墙碰撞或者自然散发,这种分子也会偶然的丢失能量。通过自然散发这种高能状态会下降到对称摆动形态(10o0)以及放射出可能传播到任何方向的光子(一种波长10.6μm的光束)。偶然的,这种光子的一种会沿着光轴的腔向下传播也将在共鸣镜里摆动。

图1简单的二氧化碳分子能量水平图

二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。放电管通常是由玻璃或石英材料制成,里面充以CO2气体和其他辅助气体(主要是氦气和氮气,一般还有少量的氢或氙气);电极一般是镍制空心圆筒;谐振腔的一端是镀金的全反射镜,另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。

当在电极上加高电压(一般是直流的或低频交流的),放电管中产生辉光放电,锗镜一端就有激光输出,其波长为10.6微米附近的中红外波段;一般较好的管子。一米长左右的放电区可得到连续输出功率40～60瓦。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优点:

二氧化碳激光器第一

它有比较大的功率和比较高的能量转换效率。一般的闭管CO2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CO2激光器,从脉冲输出的能量和功率上也都达到了较高水平,可与固体激光器媲美。CO2激光器的能量转换效率可达30～40%,这也超过了一般的气体激光器。

二氧化碳激光器第二

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。近年来发现的高气压CO2激光器,甚至可做到从9～10微米间连续可调谐的输出。

二氧化碳激光器第三

它的输出波段正好是大气窗口(即大气对这个波长的透过率较高)。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,工作稳定等优点。因此它在国民经济和国防上都有许多应用,如应用于加工(焊接、切割、打孔等),通讯、雷达、化学分析,激光诱发化学反应,外科手术等方面。

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%,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”

二氧化碳激光器内的气体并非纯二氧化碳,通常是以下几种气体的混合:

具体气体的配比根据应用目的的不同而有所改变。

二氧化碳激光器民用

因为二氧化碳激光器能达到的功率非常高,经常用来做工业的切割机,而低功率的激光器常常用来雕刻。此外,由于水在二氧化碳激光器的发光频率极容易挥发,因此也常常被用来做激光嫩肤  ,磨皮等激光手术。

二氧化碳激光器军用

应用CO2激光相干成像雷达进行机载反坦克导弹的精确制导的研究,是1977年由麻省理工学院的林肯实验室开始的,实验室于1981年研制成功并进行了演示试验。早在20世纪70年代末,美国国防先进技术研究计划局(Defence Advanced Research Projects Agency)就决定把CO2激光相干成像雷达作为第二代巡航导弹制导系统的主攻方向,现已到了技术基本成熟阶段。

DARPA和美国空军航空系统分部主持的巡航导弹先进制导(CMAG,Cruise Missile Advanced Guidence)预研计划,1977~1989年完成了研究计划,并完成了飞行演示实验,进一步研制了CO2激光主动成像雷达导引头工程样机。

CMAG技术已应用在空中发射的先进战略巡航导弹AGM-129A上,使其目标精度由原来的40m提高到3m,提高一个数量级。美国前麦·道公司为空军研制的一种全天候CO2激光相干成像雷达,于1988年进行了样机演示,预计装在战斧(Tomahawk)改型巡航导弹上。