二氧化碳激光器小论文

目录摘要...............................................................................................................1关键词...........................................................................................................11引言............................................................................................................12激光............................................................................................................22.1激光产生的三个条件.............................................................................22.2激光的特点.............................................................................................22.3激光器.....................................................................................................33CO2激光器的原理.....................................................................................53.1CO2激光器的基本结构..........................................................................53.2CO2激光器基本工作原理....................................................................73.3CO2激光器的优缺点..............................................................................84CO2激光器的应用.....................................................................................94.1军事上的应用.........................................................................................94.2医疗上的应用.......................................................................................104.3工业上的应用.......................................................................................125CO2激光器的研究现状与发展前景.......................................................145.1CO2激光器的研究现状........................................................................145.2CO2激光器的发展前景........................................................................15参考文献.......................................................................错误!未定义书签。1摘要：本文从引言出发介绍了CO2激光技术的基本情况，简单介绍了激光和激光器的一些特点，重点介绍了气体激光器中的CO2激光器的相关应用，目前CO2激光器是用最广泛的激光器之一，它有着一些非常突出的高功率、高质量等优点。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、医疗和工业三个主要领域的应用，最后介绍应用型CO2激光器的研究前景和现状。通过这些介绍使得人们能够加深对CO2激光器的了解和认识。关键词:CO2激光器；基本原理；基本结构；应用；1引言1964年由Patel在CO2气体放电中，获得了波长在10.4微米和9.4微米附近的连续激光输出，世界上第一台CO2分子的激光器诞生了。它有比较大的功率和比较高的能量转换效率。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。其在工业、军事、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，给我们的实现生活带了许多便利。1966年气动CO2激光器诞生了，从此CO2激光器受到了极大的关注。由于激光技术中气动技术的引进，CO2激光器开辟了广阔的运用前景。伴随着科学技术的进步，世界各国的激光技术也得到了相应的发展，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。在激光的发展和应用方面，CO2激光器的制作和应用较早也较多，早在1970年代末期，就有从国外直接进口CO2激光器，从事工业加工和医疗等应用。从80年代末期开始，CO2激光器被广泛引进并应用在在材料加工领域。2本文主要介绍的CO2激光器的基本原理和基本结构，并着重从三个方面介绍了CO2激光器的应用，最后介绍了CO2激光器的研究现状和发展前景。2激光激光的最初的中文名叫做“镭射”或“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是通过受激发射光扩大。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光[1]。2.1激光产生的三个条件激光产生的三个条件如下：(1)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；(2)有外界激励源，将下能级的粒子抽运到上能级，使激光上下能级之间产生粒子数反转；(3)有光学谐振腔，增长激活介质的工作长度，控制光束的传播方向，选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性[2]。2.2激光的特点激光与普通意义上的光源相比较激光主要有四个特点：方向性好、3亮度极高、单色性好、相干性好[3]。2.3激光器激光器是一种能发射激光的装置。1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔[4]。激光器的种类是很多的。下面，将分别从激光工作物质、激励方式、运转方式等几个方面进行分类介绍[5]。(1)按工作物质分类根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类：①固4体（晶体和玻璃）激光器；②气体激光器，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等；③液体激光器，这类激光器所采用的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液；④半导体激光器；⑤自由电子激光器。(2)按激励方式分类①光泵式激光器；②电激励式激光器；③化学激光器；④核泵浦激光器。(3)按运转方式分类由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同，其运转方式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类型。①连续激光器；②单次脉冲激光器；③重复脉冲激光器；④调激光器；⑤锁模激光器；⑥单模和稳频激光器；⑦可调谐激光器。53CO2激光器的原理3.1CO2激光器的基本结构图1CO2激光器基本结构如图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6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[6]。73.2CO2激光器基本工作原理如下图2所示为CO2激光器的产生激光的分子能级图。从图2中可以分析得到CO2激光的激发过程，主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入的氦有两个作用：一个是可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空；另一个是实现有效的传热。氮气的加入主要在CO2激光器中起能量传递作用，为