CO激光器的应用

国内外发展概况:1964年，Patel和Kerl在对低气压的CO气体进行脉冲放电中，首次观察到CO分子振动－转动跃迁激光振荡，得到了5.0-5.4μm波长范围内的谱线。此后Patel把CO和N2的混合气体冷却到196K，获得了连续的激光输出，然而当时的输出功率只有毫瓦级。Legau-Sommaire等人也在高频放电的N2O气体中掺入CO气体得到连续CO激光输出。N.Legay-Sommaire,L.Henry,F.Legay,Compt.Rend.Hebd.SeancesAcad.Sci.,QualitativeMicroanalysisByFilteredElectronImages1965,A260:33391968年，R．M．Osgood和W．C．Eppers用CO、He和适量空气为混合气体，在77K温度下的流动开放式的激光器系统获得了20W的连续波输出功率，电光转换效率为10%。随后高功率CO激光器的研究引起人们的极大重视。V．F．Sharkov等人于70年代中期，在77K的温度下，在闭循环系统中获得了700W的连续波输出功率，其光电转换效率达到30%，这是其他类型的分子激光器无法比拟的。1983年，前苏联列别捷夫研究所N．G．Basov报道了他和同事们研制成功的电子束控制（E.B.C.）的工业用10kW连续波连续波输出的大功率CO激光器，其电光转换效率高达37%，输出比能量为113J/g。至此，CO激光器已经成为最有前景的工业用高功率激光器。德国斯图加特DLR技术物理研究所自80年代以来一直从事微波和射频激励的CO激光器研究。1991年该所报道了采用气动冷却射频激励CO激光器及其在工业应用方面的研究结果[15]。该激光器采用气动冷却技术，没有外部冷却设备，体积紧凑，工作稳定可靠。采用射频激励方式，可以大大改善气体放电状态，提高能量注入密度。该激光器最大输出功率达900W，转换效率7%。日本三菱重工重金资助IHI研究所的S.Sato和H.Saito等人，采用自持放电两级冷却闭循环技术研制成功了1、3、5、和7.5kW的工业用大功率CO激光器，其最高电光转换效率达到24%。他们还拟订研制20kW的大功率CO激光器。美国、德国、法国、英国等发达国家都有自己杰出的研究工作，尤其是在高能量脉冲CO激光器的研究方面，美国的M.M.Mann和R.E.Center的工作是遥遥领先的。他们在1974年报道了当脉宽为100μs时，单脉冲能量为153J，其电光转换效率为63％；1977年他们又报道了当脉宽为40μs时，单脉冲能量为1010J，其电光转换效率为38％的杰出工作。俄罗斯计划在不同的实验室和厂家制作0.5-3kW级的高频放电激励CO激光器。大连理工大学应用物理研究所，于1993年研制成功了我国第一台1kWCO激光器。目前世界各国对CO激光器的研究集中在如下几个方面：（1）完善和提高现有各种类型CO激光器的各种参数，使之能满足工业加工和科学研究的需要；（2）寻找新的更有效的稳定激励方法和冷却方法；（3）CO激光器的工业应用研究。*邹意会，张荣康，“20kW级高功率CO激光器”，激光与光电子学进展，1996年第二期与CO2激光器相比，由于其振荡波长为CO2激光器的一半，因而：（1）金属等材料的光吸收特性较好，可望比CO2激光器具有更优越的加工特性。（2）理论上基模的发散角为CO2激光的一半，具有可获得高光束聚光性等特征。特别是，关于（1）项，Maisenhalder等人作了大量研究。据报道，在表面处理与切割加工方面，CO激光器具有明显的优越性。与YAG激光器相比：（3）气体激光器的特点是输出易于放大，很容易获得几十千瓦以上的激光输出。（4）CO激光器是串级振荡，饱和强度大，可得到高的电转换效率，具有适用于高功率激光器的优点。CO激光器的应用1、应用于大气中有害气体分析由于人类的活动，大气中的微量气体的浓度变化很大。例如甲烷浓度在100多年前的两千多年中一直在700ppb左右，而在近100年间，甲烷浓度按指数上升，目前已达到1600ppb。影响大气中微量气体浓度的主要因素是人类的工业活动。由于大量燃烧煤炭和石油，一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫及氮氧化物浓度明显升高。除工业活动外，农业和畜牧业生产、人口的增多，也对微量气体浓度有很大的影响。这些微量气体的增多，已经使大气质量恶化，某些生态系统收到破坏。用CO分子激光器激励的光声光谱仪可以对多种微量气体进行监测。用CO分子激光光声测量方法监测大气中微量气体，其灵敏度可高于气象色谱等常规方法几个数量级，光声检测可以连续采集样品气体，动态监测浓度的变化，检测响应时间仅为秒的量级，非常适合超底浓度有害气体的监测和大气质量分析。2、应用于生物学基础研究由于激光光声检测的高灵敏度和实时性，几年来也被用于植物生理学、昆虫学和微生物学基础研究领域。植物组织的生理过程常常同时伴随特征气体向周围环境的释放。植物周围环境气体成份的变化或微量气体浓度的变化也会反作用于植物，影响和改变植物的生理过程。生物组织气体交换研究是探索生物组织生理学规律的一个重要方法。高灵敏度激光光声检测技术的应用，使这一领域的研究十分活跃，近年来欧洲的许多研究小组与生物学家合作，做了大量的工作，揭示了许多新的生物学规律。CO分子激光器已经成为这个研究领域不可缺少的可调光源。3、作为激光磁共振（LMR）光谱分析仪的分步可调谐光源在近、中红外区，有相当数量的自由基和分子离子。它们的化学性质很不稳定，但对一些化学反应过程，对天体物理和空气化学等领域有着重要的影响，而且常常是在浓度很低的情况下，就会对环境造成危害。因此研究一种对这些物质能够进行高灵敏度的检测方法是十分必要的。通过改变外加磁场来调谐这些被测物质的吸收谱线，并使之与CO分子激光器的某一固定频率重合达到共振吸收。其原理是：寻找一条接近被测物质在零磁场情况下各兼并能级的激光谱线，并使之稳定；然后调谐外加磁场使各兼并能级发生分裂，并使之与激光谱线重合达到共振吸收的目的。4、作为同位素分裂的激光光源能源问题、合理使用能源以及寻求对环境污染少的能源是当今世界各国的重要研究课题。核能的利用是解决能源问题的重要措施，在核燃料中浓缩的铀235是被广泛应用的一种，如我国的核电站均采用轻水压力反应堆发电，所用的核燃料为含有约3.5%铀235同位素的浓缩铀。天然铀矿中铀235的含量大约为0.7%，因此为了满足发电的需要就必须采取措施，使之浓缩。目前熟知的方法有扩散法、离心法、激光原子铀蒸气法（AVLIS）和激光UF6分子法（MOLIS）。在上述这些方法中，成熟的方法是扩散法。在80年代初，由美国人Eerkens提出了一种用CO分子激光器的某一谱线选择性的激发UF6分子的高振动激发态即3υ3带。然后使处于高振动激发态的235UF6与某种化合物M发生化学反应生成某种中间产物MP，从而获得了铀235同位素的浓缩。这种用CO分子激光器的某一谱线选择性的激发分离铀235同位素的方法称作新分子法CRISLA（ChemicalReactionIsotopeSeparationbyLaserActivition）。5、柔性加工由于大功率CO激光器输出能量主要集中在5μm波段，可以由以CaF2和As2S3[42]材料制成的5μm波段的第三代光纤传输，配合机器人进行柔性加工，这一动向引起了汽车制造业的极大重视；尤其是在日本，这种柔性加工要优于现在较为广泛采用的CO2激光器的“飞行光学系统”（FlyingOpticSystem）。6、工业加工方面的应用由于CO分子激光器的波长只是CO2激光波长的二分之一，所以在切割中的能力是十分突出的。日本三菱重工业研究所对CO分子激光器和CO2激光器的切割能力进行了实验。同样都是3kW的激光器，在切割同样材质的不锈钢板时，CO分子激光器能切割40mm厚的板材，而CO2激光器只能切透20mm的同样材质的板材。3kW的CO分子激光器能以50mm/min的速度切割80mm厚的低碳钢板，而3kW的CO2激光器则只能切割20mm的低碳钢板。Maisenhelder等人对金属材料的打孔实验中也得到了类似的结果。CO分子激光器和CO2激光器对铜、钢、铝三种材料打孔时效率比值分别为：铜80/50；钢71/38；铝64/14。高功率CO分子激光器具有很大的工业应用潜力和前景。因为CO分子激光器目前仍在低温下运行，所以在一定程度上限制了它的推广和商品化。一旦这些工艺问题得以解决，高功率CO分子激光器必定在工业加工中发挥巨大的作用。