CO2激光器原理与应用

CO2激光器原理及其应用课程激光原理与技术班级光信息121801班学号201218010126姓名曾庆苏指导教师杨旭东完成日期2015.6.15目录前言..................................................................1一、CO2激光器简介.....................................................1二、CO2激光器分类.....................................................2三、CO2激光器输出特性及其缺点.........................................3四、CO2激光器结构.....................................................34.1激光管........................................................44.2光学谐振腔....................................................44.3电源及泵浦....................................................4五、CO2激光器原理.....................................................55.1CO2分子的的能级结构...........................................55.2CO2分子的振转跃迁.............................................55.3CO2激光器激光上能级的激发过程.................................65.4CO2激光器激光下能级的弛豫.....................................75.5CO2激光器激光产生.............................................7六、CO2激光器的应用...................................................86.1工业应用.......................................................86.2医疗应用.......................................................86.3军事应用.......................................................96.4环境应用.......................................................9七、CO2激光器发展特点................................................107.1发展历史......................................................107.2发展现状......................................................107.3发展前景......................................................11八、结束语...........................................................11第1页前言：二氧化碳激光于1964年首次运用其波长为10.6μm。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，这是目前最强的物质处理激光。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，是用最广泛的激光器之一。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。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、工业和环境四个主要领域的应用，最后介绍应用型CO2激光器的发展历史、现状、以及前景。通过这些介绍使得大家能够加深对CO2激光器的了解和认识。一、CO2激光器简介1964年，Patel等人首先发现了用CO2气体观察到大约10.6微米的连续波激光作用，（其中还有9.6微米）经过多年对CO2气体激光的研究，今天它已经成为产品，广泛用于各种领域。CO2激光器是分子气体激光器，分子气体由碳和氧组成(最常用)，分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一种激光器，实现高效率与高功率输出。CO2分子气体激光器中主要物质为CO2，辅助气体有氮气，氦气等。它的光电转换效率(输出激光功率与输出电功率之比)较高，一般为15%左右，输出功率从瓦级直到万瓦级。由于CO2结构类型差异很大，它应用于不同的领域，其中应用最为广泛的当属激光医学，CO2激光器输出波长为10.6um，是不可见的红外光，它极易被人体组织200pm内的表层所吸收，稳定性较好，是医学上应用最为广泛的一种气体激光工作物质：CO2、N2和He的混合物激光波长：10.6微米、9.6微米（远红外光）（利用基态的不同振动态的转动能级之间的跃迁，故光子能量小）特点：激光器效率高、输出能量大、功率高。第2页二、CO2激光器分类2.1按输出方式分1）连续输出；2）脉冲输出——调制频率高达1MHz；3）Q开关输出——电光调Q与声光调Q。2.2按谐振腔的工作分1）波导腔——孔径D=1～3mm；2）自由空间腔——孔径D=4～6mm。2.3按激励极性分1）单相；2）反相。2.4按腔体结构分1）单腔；2）多腔；（a）折叠腔：V型——2折；Z型——3折；X型——4折。（b）列阵腔：短肩列阵；交错列阵。（c）积木式：并联—2腔；三角组联—3腔。3）大面积放电（a）平板型，（b）同心环型。2.5按均恒电感分布方式分1）准电感谐振技术—用于低电容激光头；2）平行分布电感谐振技术—用于高电容激光头。2.6按谐振腔材料分1）陶瓷—金属混合型；2）全陶瓷型；3）全金属型。2.7按冷却方式分1）空气冷却；2）水冷却。2.8按封装方式分1）封离型；2）流动型。谐振腔的材料一般为：金属—A1。陶瓷—BeO，BN、AIN、Al2O3等。第3页三、CO2激光器输出特性及其缺点3.1特性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特点：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。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。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明度较高)。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，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。3.2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”。四、CO2激光器结构（1）封离式CO2激光器结构示意图第4页如图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：4.1激光管激光器中最关键的部分。通常由硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构，由三部分组成（如图1所示）。最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管。放电管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。4.2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。4.3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。第5页五、CO2激光器原理5.1CO2分子的的能级结构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分子为线性对称排列的三原子分子，三个原子排列成一条直线（分子轴），中间是碳原子，两端是氧原子。分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论，CO2有三种不同的振动方式：①二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值，而此时分子中的碳原子静止不动，因而其振动被叫做对称振动。②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，且振动方向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的，又称为变形振动。③三个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级。5.2CO2分子的振转跃迁CO2分子二条最强的跃迁谱线第6页虽然有多条荧光谱线,但在激光器中能同时形成激光振荡的只有1至3条,这是因为同一振动能级的各转动能级之间靠得很近,粒子在能级间转移很快(10-7~10-8s),一旦某一转动能级上的粒子跃迁后,其他能级上的粒子就会按玻尔兹曼分布规律,转移到这个能级上来,而其他能级上的粒子数减少,这就是转动能级的竞争