CO2激光器

二氧化碳激光器，可称“隐身人”，因为它发出的激光波长为10.6 微米，“身”处红外区，肉眼不能觉察，它的工作方式有连续、脉冲两种。

连续方式产生的激光功率可达20 千瓦以上。脉冲方式产生波长10.6 微米的激光也是最强大的一种激光。

人们已用它来“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展，也是光武器和核聚变研究中的重大成果。

最普通的二氧化碳激光器是一支长1 米左右的放电管。它产生的激光是看不见的，在砖上足以把砖头烧到发出耀眼的白光。二氧化碳激光于1964年首次运用其波长为10.6μm。

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。

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。

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：

二氧化碳（CO2）：10-20%

氮气（N2）：10-20%

氦气（He）：其余内容

具体气体的配比根据应用目的的不同而有所改变。

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 [2]  ，磨皮等激光手术。

军用

由于大气层对红外线的阻挡能力很弱，因此常被用来做激光武器。