CO2激光器原理与应用.docx
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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
指导教师旭东
完成日期2015.6.15
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3
4.1激光管4
5.4CO2激光器激光下能级的弛豫7
5.5CO2激光器激光产生7
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。
1、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。
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。
3、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
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。
在一定的长度围，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。
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
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效应.由于这种竞争效应,如果工作条件使得某条谱线的增益系数较大,则此谱线首先起振,而同时抑制其他谱线振荡.
5.3CO2激光器激光上能级的激发过程
1）电子直接碰撞激发
式中:
CO2*（00º1）--CO2分子的激发态
2）串级跃迁激发
3）共振转移激发
在CO2中掺有N2（氮）和CO,它们被电子碰撞激发到各自的激发态,这些激发态的分子可把能量转移给CO2基态,使CO2跃迁到00º1能级。
N2分子：
CO分子：
4）复合过程
放电过程中,有部分CO2分子会分解成CO和O,同时也存在CO和O的复合过程,在复合时,把原来分解时所需要的能重新释放出来,使CO2分子激发到00º1能级.这个过程比前三个过程起的作用小得多.
被激发到激光上能级（00º1）的CO2分子,除了受激辐射引起衰减外,还存在一些其他因素使其衰减.我们把后者引起的衰减称为消激发.
引起消激发的主要原因:
碰撞和扩散.
5.4CO2激光器激光下能级的弛豫
由于CO2分子激光下能级10º0和02º0的辐射寿命很长,从激光上能级跃迁到这两个能级的粒子,不能靠自发辐射很快返回到基态,这必然会降低粒子反转数.为尽快抽空下能级,必须靠与其他粒子碰撞.碰撞抽空下能级的弛豫过程分为两步进行:
第一步:
10º0和02º0能级的驰豫
第二步:
01¹0能级的驰豫
实验发现,CO2激光下能级的“抽空”主要是靠气体分子间碰撞,而不是靠与管壁碰撞.所以放电管直径的大小对输出的影响不大,特别是大功率激光器更是如此.因此,CO2激光器不象He-Ne激光器那样一定要用很细的毛细管.
5.5CO2激光器产生激光
CO2激光器中，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。
加入其中的氦，可以加速01¹0能级热弛预过程，因此有利于激光能级10º0及02º0的抽空。
氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用，为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。
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。
六、CO2激光器的应用
6.1工业应用
CO2激光器在激光加工方面占主导地位，它广泛的用于焊接，切割，热处理和清洗等方面，输出激光的质量和功率都有很明确的要求。
因此，工业中的CO2激光器要有高质量的激光光束和稳定的输出功率。
（1）CO2激光器切割技术
激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。
激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。
与传统的板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割质量、高的切割速度、高的柔性（可随意切割任意形状）、广泛的材料适应性等优点。
（2）CO2激光器的焊接技术
激光焊接是一种材料连接方法，主要是金属材料之间连接的技术。
它和传统的焊接技术一样，通过将连接区的部分材料熔化而将两个零件或部件连接起来。
因为激光能量高度集中，加热、冷却的过程及其迅速，一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料，用激光很容易实现。
另一方面，在激光焊接过程中无机械接触，易保证焊接部位不因受力而发生变形，通过熔化最小数量的物质实现合金连接，从而大大提高焊接质量，提高生产率。
激光焊的焊缝深度比大，而焊缝热影响区极小，质量好。
例如：
金属薄板的焊接，低功率激光可以切割和焊接塑料；高功率激光可以切割和焊接金属。
电池焊接，锂电池的生产工序如极耳焊接、安全阀焊接、负极焊接、外壳密封焊接使用激光焊接为最佳工艺，需要配备的激光焊接机的品种和数量十分巨大。
6.2医疗应用
近20年来激光技术在医疗有着飞速的进步，许多疾病和先天性的疾病都可以被成功地根治。
与其他激光手术相比，CO2激光手术刀具有切割能力强，组织吸收系数大，组织穿透浓度较小（约0.23mm），手术时不易伤及动脉血管等，使得连续CO2激光被大量用于外科手术临床治疗。
但是连续CO2激光在临床上激光对组织的损伤属非选择性的，手术治疗后常常伴随着皮肤疤痕等副作用。
超脉冲CO2激光器采用先进的脉冲技术和PWM电源控制技术，不但有连续CO2激光手术刀的共同特点，而且激光手术引起的组织反应较轻，对周围组织的损伤小，也缩短时间，治疗时产生烟雾少，视野清晰。
中国的激光医疗技术与西方相比水平并不低，且中国有十几亿人口，故激光医疗器械的潜在需求巨大，今后，我国激光医疗器械市场将迎来一个新的繁荣期，超脉冲CO2激光将在这一大浪中起举足轻重的地位
6.3军事应用
（1）激光制导
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。
目前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，预计装在战斧改型巡航导弹上。
（2）激光武器
激光武器作为一种新概念武器,与传统常规武器相比,以其速度快,方向性好,能量密度高,作战耗费比高等优点,成为新世纪武器中的新宠.高能激光武器在军事应用的方面扮演着越来越重要的角色,代表着未来武器的发展方向,将彻底改变目前的战场环境和作战方式,使未来战争的形态发生了深刻变革.高能气动CO2激光器输出功率大,曾被各国设计用于研制高能激光武器。
激光导弹防御或称激光反导的基本特征是：
用由光速的高能激光去摧毁声速运行的导弹或其它飞行固体。
我们可以说这方面是CO2激光器的天下，因为它有一些突出的优点。
目前在陆军中采用的陆基小型激光反导系统、空军采用的机载激光反未来的CO2激光武器主要的特点是超高功率和高便携性。
高能激光器是未来战斗系统的重要组成部分，将在反监视、主动保护、防空和清除暴露地雷等方面做出贡献。
未来的CO2激光武器将向着高功能、便携式、杀伤力强发展。
6.4环境应用
荷兰纳米根大学，使用L3S二氧化碳激光器做有关农业加工、气体分析方面的研究，同时他们还使用ACCESSLASERCOMPANY的激光器研究声光光谱学。
几年前该大学的数名教授和研究人员已经成立了自己的公司SensorSenseB.V.目前开始批量生产用于环境测量，农业和工业过程监控，以及有关国家安全的检测设备。
该检测设备利用CO2激光光谱吸收乙烯气体，用高灵敏度气体探头探测乙烯含量。
（1）蔬菜水果储存环境的监控——乙烯是水果成熟的一个重要而敏感的标志。
保守估计全球至少25－40％的农作物在采收后被损失掉。
目前普遍采用的是CA，即低温低氧、CO2高含量环境。
根据测量乙烯含量来确认CA的条件，从而减少损失。
水果储藏——光声光谱：
通过感应散发的特定气体，可以控制水果成熟的速度正在成熟中的水果。
光声光谱灵敏度可达200ppt.
（2）真菌研究（用于谷物蔬菜收获后的保存技术）
（3）固氮过程研究（NIOO-CEMO,Yerseke使用该仪器在蓝藻研究上取得成功）
七、CO2激光器发展特点
7.1发展历史
[1]
封离式
慢速轴流
横流
快速轴流
涡轮风机快速轴流
扩散型SLAB
出现年代
20世纪70年代中期
20世纪80年代早期
20世纪80年代中期
20世纪80年代后期
20世纪90年代早期
20世纪90年代中期
功率
500
1000
20000
5000
10000
5000
光束质量MF因子
不稳定
1.5
10
5
2.5
1.2
光束质量Kt因子
不稳定
5
35
17
9
4.5
CO2激光器具有体积大、结构复杂、维护困难，金属对10.6μm波长的激光不能够很好的吸收，不能采用光纤传输激光以及焊接时光致等离子体严重等缺点。
从上表可以看出，早期的CO2激光器取向激光功率提高的方向发展，单当激光功率达到一定要求后，激光器的光束质量受到重视，激光器的发展随之转移到提高光束质量上。
接近衍射极限的扩散冷却板条式CO2激光器具有较好的光束质量，一经推出就得到了广泛的应用，尤其是在激光切割领域，受到众多企业的青睐。
7.2发展现状
CO2激光器从诞生到现在的近50年时间里一直被人类所关注，二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。
CO2激光器是一种比较重要的气体激光器，目前对CO2激光器的研究方向主要朝一下几个方面[16]：
第一，高效率的CO2激光器。
显然，相对于固体激光器其效率是非常高的，但是总体而言，相对于CO2激光器本身其效率还是相对较低的。
第二，小体积多功能CO2激光器。
目前大部分的CO2激光器功能单一，只能够从事某一项非常具体的工作。
我们知道大型医院里使用的CO2祛斑激光器和CO2除毛激光器，他们的体积都非常的庞大，但是结构基本相同。
使用多功能CO2激光器的话，占用的体积小，而且售价相对也低了许多。
第三，高功率CO2激光器
高功率一直都是军方的追求目标，在这方面国的一些军工企业的研究水平还是相对落后。
美国空军最早开始着手研究高功率CO2激光器。
1975年，也就是CO2诞生的十一周年，美国空军医研制出功率达到30KW级别的CO2激光器。
1988年，研究的CO2激光器的输出功率已达到380KW。
目前根据美国军方公布的部分数据，研制的CO2激光器输出功率已达到千万瓦级别。
第四，工业技术的研究
CO2激光器在激光加工方面占主导地位，它广泛的用于焊接，切割，热处理和清洗等方面，输出激光的质量和功率都有很明确的要求。
因此，工业中的CO2激光器要有高质量的激光光束和稳定的输出功率。
在这个方面我们一直跟在国外公司的后面，毕竟我们在工业方面的研究晚了近十年。
在企业中，使用较多的CO2激光器为美国的大通公司所生产的。
7.3发展前景
未来的CO2激光器将朝着以下几个方向发展：
（1）高功率横流CO2激光器。
金刚石工具、汽车齿轮、汽车安全气囊气体发生器等焊接中的应用，激光表面淬火与熔覆工艺及其在钢铁轧辊表面熔凝淬火、石油化工零件表面修复等方面的特殊应用
（2）声光调QCO2激光器
激光测距、环境探测、空间通讯及激光与物质相互作用机理研究
（3）紧凑型长寿命射频激励波导CO2激光器：
为了使CO2激光器在工业加工及军事上有更广泛的应用,采用铝合金拉制型材作为激光器壳体、盘装电感代替传统线绕电感的结构以及全金属封接工艺等,研制出一种紧凑型长寿命射频激励波导CO2激光器。
这种激光器具有结构紧凑、输出功率稳定、工作寿命长、可连续及脉冲调制工作等特点,除了能满足各种材料的加工,也可在军事上应用。
（4）新型便携式TEACO2激光器：
它是一种新型便携式横向激励大气压CO2激光器。
该激光器采用4节5号充电电池直流供电,在1Hz重复频率条件下,可连续工作1h.激光器整机（包括电源及控制系统）尺寸为200nm×200mm×360mm,质量小于8kg.激光器使用紫外电晕预电离方式,放电均匀、稳定.自由振荡情况下,激光脉冲输出能量达到35mJ,输出脉冲宽度为70ns。
（5）高功率连续CO2激光器：
针对直升飞机发动机涡轮叶片采用连续激光熔覆出现裂纹及叶片变形的问题,在5kW连续横流CO2激光器上,采用新的电源控制方案,通过软件及相关控制,实现了脉冲激光功率输出。
克服了采用高功率开关电源带来的成本和稳定性问题。
且脉冲调制频率可达到5Hz,调制占空比可达到5%～100%.
八、结束语
激光技术作为一种新的科学技术有着广阔的应用前景。
快速、精准是其最大的优势，激光不仅能够在精密仪器上打标，还可以对地毯等快速的切割。
激光机在现代的工业事业上功不可没。
推进工业的快速发展。
激光走进了人们的生活同时也加速了人类社会的进步。
激光发展的步伐依旧很坚定，它将为我们做出更大的贡献并且需要我们更加深入的研究它。
当前的激光技术还不是非常的成熟，还有很大的提升空间。
我国当前的激光技术和国际先进水平还有一定的差距，所以在激光技术这方面要更加的努力发展。
参考文献:
1、安毓英，继芳，曹长庆.激光原理与技术.科学.2010.2
2、阎吉祥，激光原理与技术（第2版）.高等教育.2011.2
3、周广宽，葛国库，亚辉.激光器件.电子科技大学.2011.8
4、马养武，钰清.激光器件.大学.1994.11
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