CO2激光器原理

CO2激光器原理

?CO2激光器光電效率相對(duì)較高，不造成工作介質(zhì)損害，發(fā)射出10.6μm波長的不可見激光，是一種比較理想的激光器。按氣體的工作形式可分封閉式及循環(huán)式，按激勵(lì)方式分電激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)，熱激勵(lì)，光激勵(lì)與核激勵(lì)等。在醫(yī)療中使用的CO2激光器幾乎百分之百是電激勵(lì)。

　　CO2激光器的工作原理：與其它分子激光器一樣，CO2激光器工作原理其受激發(fā)射過程也較復(fù)雜。分子有三種不同的運(yùn)動(dòng)，即分子里電子的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)決定了分子的電子能態(tài)；二是分子里的原子振動(dòng)，即分子里原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動(dòng)——并決定于分子的振動(dòng)能態(tài)；三是分子轉(zhuǎn)動(dòng)，即分子為一整體在空間連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，分子的這種運(yùn)動(dòng)決定了分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能態(tài)。分子運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜，因而能級(jí)也很復(fù)雜。

　　CO2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，CO2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)的最大值和平衡值，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)能。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)。

　　CO2激光的激發(fā)過程：CO2激光器中，主要的工作物質(zhì)由CO2，氮?dú)猓馊N氣體組成。其中CO2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)熱弛預(yù)過程，因此有利于激光能級(jí)100及020的抽空。氮?dú)饧尤胫饕贑O2激光器中起能量傳遞作用，為CO2激光上能級(jí)粒子數(shù)的積累與大功率高效率的激光輸出起到強(qiáng)有力的作用。

??????????????????????????????????????????????????????????????? CO2分子激光躍遷能級(jí)圖

　　CO2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。這時(shí)受到激發(fā)的氮分子便和CO2分子發(fā)生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子，CO2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。

　　結(jié)構(gòu)：①激光管：是激光機(jī)中最關(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)。最里面一層是放電管，第2層為水冷套管，最外一層為儲(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)一般來說對(duì)輸出功率沒有影響，主要考慮到光斑大小所引起的衍射效應(yīng)，應(yīng)根據(jù)管長而定。管長的粗一點(diǎn)，管短的細(xì)一點(diǎn)。放電管長度與輸出功率成正比。在一定的長度范圍內(nèi)，每米放電管長度輸出的功率隨總長度而增加。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。

??????????????????????????????????????????????????????????????????????? CO2激光器結(jié)構(gòu)圖

　　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一小孔。再密封上一塊能透過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。