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1工作原理

CO?分子為線性對(duì)稱分子，兩個(gè)氧原子分別在碳原子的兩側(cè)，所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始終運(yùn)動(dòng)著，要繞其平衡位置不停地振動(dòng)。根據(jù)分子振動(dòng)理論，CO?有三種不同的振動(dòng)方式：①二個(gè)氧原子沿分子軸，向相反方向振動(dòng)，即兩個(gè)氧在振動(dòng)中同時(shí)達(dá)到振動(dòng)的大值和平衡值，而此時(shí)分子中的碳原子靜止不動(dòng)，因而其振動(dòng)被叫做對(duì)稱振動(dòng)。②兩個(gè)氧原子在垂直于分子軸的方向振動(dòng)，且振動(dòng)方向相同，而碳原子則向相反的方向垂直于分子軸振動(dòng)。由于三個(gè)原子的振動(dòng)是同步的，又稱為變形振動(dòng)。③三個(gè)原子沿對(duì)稱軸振動(dòng)，其中碳原子的振動(dòng)方向與兩個(gè)氧原子相反，又叫反對(duì)稱振動(dòng)。在這三種不同的振動(dòng)方式中，確定了有不同組別的能級(jí)。

二氧化碳激光是一種分子激光。主要的物質(zhì)是二氧化碳分子。它可以表現(xiàn)多種能量狀態(tài)這要視其震動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的形態(tài)而定?；镜哪芰烤W(wǎng)狀見(jiàn)圖1。二氧化碳里的混合氣體是由于電子釋放而造成的低壓氣體（通常30-50托）形成的等離子（電漿）。如麥克斯韋-波爾茲曼分布定律所說(shuō)，在等離子里，分子呈現(xiàn)多種興奮狀態(tài)。一些會(huì)呈現(xiàn)高能態(tài)（00o1）其表現(xiàn)為不對(duì)稱擺動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)與空心墻碰撞或者自然散發(fā)，這種分子也會(huì)偶然的丟失能量。通過(guò)自然散發(fā)這種高能狀態(tài)會(huì)下降到對(duì)稱擺動(dòng)形態(tài)（10o0）以及放射出可能傳播到任何方向的光子（一種波長(zhǎng)10.6μm的光束）。偶然的，這種光子的一種會(huì)沿著光軸的腔向下傳播也將在共鳴鏡里擺動(dòng)。

2激發(fā)過(guò)程

CO2激光器中，主要的工作物質(zhì)由CO?，氮?dú)?，氦氣三種氣體組成。其中CO?是產(chǎn)生激光輻射的氣體、氮?dú)饧昂鉃檩o助性氣體。加入其中的氦，可以加速010能級(jí)熱弛豫過(guò)程，因此有利于激光能級(jí)100及020的抽空。氮?dú)饧尤胫饕贑O?激光器中起能量傳遞作用，為CO?激光上能級(jí)粒子數(shù)的積累與大功率率的激光輸出起到強(qiáng)有力的作用。 CO?分子激光躍遷能級(jí)圖 　CO?激光器的激發(fā)條件：放電管中，通常輸入幾十mA或幾百mA的直流電流。放電時(shí)，放電管中的混合氣體內(nèi)的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來(lái)。這時(shí)受到激發(fā)的氮分子便和CO?分子發(fā)生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子，CO?分子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)發(fā)出激光。 

3結(jié)構(gòu)

激光管

是激光機(jī)中關(guān)鍵的部件。常用硬質(zhì)玻璃制成，一般采用層套筒式結(jié)構(gòu)。里面一層是放電管，第2層為水冷套管，外一層為儲(chǔ)氣管。二氧化碳激光器放電管直徑比He-Ne激光管粗。放電管的粗細(xì)一般來(lái)說(shuō)對(duì)輸出功率沒(méi)有影響，主要考慮到光斑大小所引起的衍射效應(yīng)，應(yīng)根據(jù)管長(zhǎng)而定。管長(zhǎng)的粗一點(diǎn)，管短的細(xì)一點(diǎn)。放電管長(zhǎng)度與輸出功率成正比。在一定的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，每米放電管長(zhǎng)度輸出的功率隨總長(zhǎng)度而增加。加水冷套的目的是冷卻工作氣體，使輸出功率穩(wěn)定。放電管在兩端都與儲(chǔ)氣管連接，即儲(chǔ)氣管的一端有一小孔與放電管相通，另一端經(jīng)過(guò)螺旋形回氣管與放電管相通，這樣就可使氣體在放電管中與儲(chǔ)氣管中循環(huán)流動(dòng)，放電管中的氣體隨時(shí)交換。

光學(xué)諧振腔

CO2激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡用K8光學(xué)玻璃或光學(xué)石英，經(jīng)加工成大曲率半徑的凹面鏡，鏡面上鍍有高反射率的金屬膜——鍍金膜，在波長(zhǎng)10.6μm處的反射率達(dá)98.8%，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。二氧化碳發(fā)出的光為紅外光。所以反射鏡需要應(yīng)用透紅外光的材料，因?yàn)槠胀ü鈱W(xué)玻璃對(duì)紅外光不透。就要求在全反射鏡的中心開(kāi)一小孔。再密封上一塊能透過(guò)10.6μm激光的紅外材料，以封閉氣體。這就使諧振腔內(nèi)激光的一部分從這一小孔輸出腔外，形成一束激光。 

電源及泵浦

封閉式CO2激光器的放電電流較小，采用冷電極，陰極用鉬片或鎳片做成圓筒狀。30～40mA的工作電流，陰極圓筒的面積500cm2，不致鏡片污染，在陰極與鏡片之間加一光欄。 　泵浦采用連續(xù)直流電源激發(fā)。激勵(lì)CO2激光器直流電源原理，直流電壓為把市內(nèi)的交流電壓，用變壓器提升，經(jīng)高壓整流及高壓濾波獲得高壓電加在激光管上。

4分類

（1）按輸出方式分
1）連續(xù)輸出；
2）脈沖輸出——調(diào)制頻率高達(dá)1MHz；
3）Q開(kāi)關(guān)輸出——電光調(diào)Q與聲光調(diào)Q。
（2）按諧振腔的工作分
1）波導(dǎo)腔——孔徑D=1～3mm；
2）自由空間腔——孔徑D=4～6mm。
（3）按激勵(lì)極性分
1）單相；
2）反相。
（4）按腔體結(jié)構(gòu)分
1）單腔；
2）多腔；
（a）折疊腔：V型——2折；Z型——3折；X型——4折。
（b）列陣腔：短肩列陣；交錯(cuò)列陣。
（c）積木式：并聯(lián)—2腔；三角組聯(lián)—3腔。
3）大面積放電
（a）平板型，（b）同心環(huán)型。
（5）按均恒電感分布方式分
1）準(zhǔn)電感諧振技術(shù)—用于低電容激光頭；
2）平行分布電感諧振技術(shù)—用于高電容激光
頭。
（6）按諧振腔材料分
1）陶瓷—金屬混合型；2）全陶瓷型；3）全金屬型。
（7）按冷卻方式分
1）空氣冷卻；2）水冷卻。
（8）按封裝方式分
1）封離型；2）流動(dòng)型。
諧振腔的材料一般為：金屬—A1。陶瓷—BeO，BN、AIN、Al2O3等。

5波長(zhǎng)的因素

半導(dǎo)體光電器件的工作波長(zhǎng)是和制作器件所用的半導(dǎo)體材料的種類相關(guān)的。半導(dǎo)體材料中存在著導(dǎo)帶和價(jià)帶?導(dǎo)帶上面可以讓電子自由運(yùn)動(dòng)?而價(jià)帶下面可以讓空穴自由運(yùn)動(dòng)?導(dǎo)帶和價(jià)帶之間隔著一條禁帶?當(dāng)電子吸收了光的能量從價(jià)帶跳躍到導(dǎo)帶中去時(shí)?就把光的能量變成了電?而帶有電能的電子從導(dǎo)帶跳回價(jià)帶?又可以把電的能量變成光?這時(shí)材料禁帶的寬度就決定了光電器件的工作波長(zhǎng)。材料科學(xué)的發(fā)展使我們能采用能帶工程對(duì)半導(dǎo)體材料的能帶進(jìn)行各種精巧的裁剪?使之能滿足我們的各種需要并為我們做更多的事情?也能使半導(dǎo)體光電器件的工作波長(zhǎng)突破材料禁帶寬度的限制擴(kuò)展到更寬的范圍。

6發(fā)展特點(diǎn)

CO2激光器具有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難，金屬對(duì)10.6μm波長(zhǎng)的激光不能夠很好的吸收，不能采用光纖傳輸激光以及焊接時(shí)光致等離子體嚴(yán)重等缺點(diǎn)。

從上表可以看出，早期的CO2激光器取向激光功率提高的方向發(fā)展，但當(dāng)激光功率達(dá)到一定要求后，激光器的光束質(zhì)量受到重視，激光器的發(fā)展隨之轉(zhuǎn)移到提高光束質(zhì)量上。接近衍射極限的擴(kuò)散冷卻板條式CO2激光器具有較好的光束質(zhì)量，一經(jīng)推出就得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在激光切割領(lǐng)域，受到眾多企業(yè)的喜愛(ài)。