CO2激光器的工作原理和分類

二氧化碳激光于1964年首次運(yùn)用其波長(zhǎng)為10.6μm。因?yàn)檫@是一種非常有效率的激光，作為商業(yè)模型來說其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10%，所以二氧化碳激光廣泛用于激光切割，焊接，鉆孔和表面處理。作為商業(yè)應(yīng)用激光可達(dá)45千瓦，這是目前最強(qiáng)的物質(zhì)處理激光。

1.運(yùn)作原理

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，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)。

圖1簡(jiǎn)單的二氧化碳分子能量水平圖

大體上，二氧化碳激光的工作物質(zhì)是由二氧化碳、氦、氮?dú)馑M成的混合物。氮?dú)庾鳛榫彌_氣體以及它的分子共鳴地傳遞刺激能量給二氧化碳分子。因?yàn)閺埑谒?01110)是瓶頸，氦的作用是作為熱壑來傳遞能量給水平(01110)給氦原子。

2.二氧化碳激光的種類

廢熱被拒的方式對(duì)激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很大的影響。原則上，有兩種可能的方式。第一種方式是基于自動(dòng)處理自然擴(kuò)散熱氣到管墻，運(yùn)作原理就是密封和慢軸流激光。第二種是基于氣體強(qiáng)迫對(duì)流，其運(yùn)作原理就是快軸流激光。大體上，主要有五種二氧化碳激光：

密封式或無流式

慢軸流

快軸流

快速橫向流

橫向激勵(lì)大氣(TEA)

密封或無流式二氧化碳激光通常以用于光束偏轉(zhuǎn)激光做記號(hào)。它的放電管完全被封住。這種激光束的質(zhì)量非常好。而且在大多數(shù)情況下整個(gè)放電管可以換新舊的可以重新灌氣所以容易保養(yǎng)。這樣就無需使用分離式的氣體供應(yīng)系統(tǒng)。只需要在激光頭做較少的連接。所以它既緊密且輕巧。但是其能量輸出較低(通常少于200瓦)。

TEA二氧化碳激光通常應(yīng)用于防護(hù)罩制作。只能在脈沖形勢(shì)下操作。氣流低且氣壓高。其激勵(lì)電壓大概在一萬伏。這種激光束能量分布在相對(duì)的大區(qū)域是統(tǒng)一的。它的最高能量最高可以達(dá)到1012瓦而且其脈沖寬度非常小。盡管如此，由于多狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)所以這種形式的激光很難在小點(diǎn)上集中。

3.泵的電源供應(yīng)

對(duì)于CW二氧化碳激光而言，總體上說主要有三種給泵供電的方式。例如：直流電(DC)、高頻(HF)、射頻(RF)。直流電供電設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單。在高頻率供電式中電子在頻率20-50千赫茲之間交替。相對(duì)直流電而言，高頻供電在大小上緊密而且較高效率。射頻供電中電子在頻率2至100兆赫茲之間交替。與直流電相比，其電壓和效率都較低。

審核編輯 黃宇