CO2激光器原理與應用

1、 CO2激光器原理及其應用 課 程 激光原理與技術 班 級 光信息121801班 學 號 201218010126 姓 名 曾慶蘇 指導教師 楊旭東 完成日期 2015.6.15 目錄前言1一、CO2激光器簡介1二、CO2激光器分類2三、CO2激光器輸出特性及其缺點3四、CO2激光器結構34.1 激光管44.2 光學諧振腔44.3 電源及泵浦4五、CO2激光器原理55.1 CO2分子的的能級結構55.2 CO2分子的振轉躍遷55.3 CO2激光器激光上能級的激發(fā)過程65.4 CO2激光器激光下能級的弛豫75.5 CO2激光器激光產生7六、CO2激光器的應用86.1工業(yè)應用86.2醫(yī)療應用86.

2、3軍事應用96.4環(huán)境應用9七、CO2激光器發(fā)展特點107.1發(fā)展歷史107.2發(fā)展現狀107.3發(fā)展前景11八、結束語11第 11 頁前言： 二氧化碳激光于1964年首次運用其波長為10.6m。因為這是一種非常有效率的激光，作為商業(yè)模型來說其轉換效率達到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)應用激光可達45千瓦，這是目前最強的物質處理激光。二氧化碳激光器是目前連續(xù)輸出功率較高的一種激光，它發(fā)展較早，商業(yè)產品較為成熟，被廣泛應用到材料加工、醫(yī)療使用、軍事武器、環(huán)境量測等各個領域，是用最廣泛的激光器之一。二氧化碳激光器的出現是激光發(fā)展中的重大進展，也是光武器和核

3、聚變研究中的重大成果。 論文首先介紹了應用型CO2激光器的基本結構和工作原理，著重介紹了應用型CO2激光器在軍事、醫(yī)療、工業(yè)和環(huán)境四個主要領域的應用，最后介紹應用型CO2激光器的發(fā)展歷史、現狀、以及前景。通過這些介紹使得大家能夠加深對CO2激光器的了解和認識。1、 CO2激光器簡介 1964年，Patel等人首先發(fā)現了用CO2氣體觀察到大約10.6微米的連續(xù)波激光作用，（其中還有9.6微米）經過多年對CO2氣體激光的研究，今天它已經成為產品，廣泛用于各種領域。 CO2激光器是分子氣體激光器，分子氣體由碳和氧組成(最常用)，分子氣體激光器通過分子能級間的躍遷產生激發(fā)振蕩的一種激光器，實現高效率與

4、高功率輸出。CO2分子氣體激光器中主要物質為CO2 ，輔助氣體有氮氣，氦氣等。它的光電轉換效率(輸出激光功率與輸出電功率之比)較高，一般為15%左右，輸出功率從瓦級直到萬瓦級。由于CO2結構類型差異很大，它應用于不同的領域，其中應用最為廣泛的當屬激光醫(yī)學，CO2激光器輸出波長為10.6um，是不可見的紅外光，它極易被人體組織200pm內的表層所吸收，穩(wěn)定性較好，是醫(yī)學上應用最為廣泛的一種氣體激光 工作物質：CO2、N2和He的混合物 激光波長：10.6微米、9.6微米（遠紅外光）（利用基態(tài)的不同振動態(tài)的轉動能級之間的躍遷，故光子能量?。?特點：激光器效率高、輸出能量大、功率高。二、CO2激光器

5、分類2.1按輸出方式分 1）連續(xù)輸出； 2）脈沖輸出調制頻率高達1MHz； 3）Q開關輸出電光調Q與聲光調Q。2.2按諧振腔的工作分 1）波導腔孔徑D=13mm； 2）自由空間腔孔徑D=46mm。2.3按激勵極性分 1）單相； 2）反相。2.4按腔體結構分 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；交錯列陣。 （c）積木式：并聯2腔；三角組聯3腔。 3）大面積放電 （a）平板型，（b）同心環(huán)型。2.5按均恒電感分布方式分 1）準電感諧振技術用于低電容激光頭； 2）平行分布電感諧振技術用于高電容激光 頭。2.6按諧振腔材料分 1）陶瓷金屬混合型

6、；2）全陶瓷型；3）全金屬型。2.7按冷卻方式分 1）空氣冷卻；2）水冷卻。2.8按封裝方式分 1）封離型；2）流動型。諧振腔的材料一般為：金屬A1。陶瓷BeO，BN、AIN、Al2O3等。3、 CO2激光器輸出特性及其缺點3.1特性 CO2激光器是一種比較重要的氣體激光器。這是因為它具有一些比較突出的特點： 第一，它有比較大的功率和比較高的能量轉換效率。一般的閉管CO2激光器可有幾十瓦的連續(xù)輸出功率，這遠遠超過了其他的氣體激光器，橫向流動式的電激勵CO2激光器則可有幾十萬瓦的連續(xù)輸出。此外橫向大氣壓CO2激光器，從脈沖輸出的能量和功率上也都達到了較高水平，可與固體激光器媲美。CO2激光器的能

7、量轉換效率可達3040%，這也超過了一般的氣體激光器。第二，它是利用CO2分子的振動-轉動能級間的躍遷的，有比較豐富的譜線，在10微米附近有幾十條譜線的激光輸出。近年來發(fā)現的高氣壓CO2激光器，甚至可做到從910微米間連續(xù)可調諧的輸出。第三，它的輸出波段正好是大氣窗口(即大氣對這個波長的透明度較高)。除此之外，它也具有輸出光束的光學質量高，相干性好，線寬窄，具有較好的方向性、單色性和較好的頻率穩(wěn)定性。而氣體的密度小，不易得到高的激發(fā)粒子濃度，因此，CO2氣體激光器輸出的能量密度一般比固體激光器小。3.2 缺點CO2激光器的轉換效率是很高的，但最高也不會超過40，這就是說，將有60以上的能量轉換

8、為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級的消激發(fā)和激光下能級的熱激發(fā)，這都會使粒子的反轉數減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導致增益系數下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低放電管內的CO2分子濃度。這些因素都會使激光器的輸出功率下降，甚至產生“溫度猝滅”。四、CO2激光器結構（1）封離式CO2激光器結構示意圖 如圖1所示是為一種典型的CO2激光器結構示意圖。構成CO2激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。 基本結構：4.1 激光管 激光器中最關鍵的部分。通常由硬質玻璃制成，一般采用層套筒

9、式結構，由三部分組成（如圖1所示）。最里面一層是放電管，第2層為水冷套管，最外一層為儲氣管。 放電管能夠影響激光的輸出以及激光輸出的功率，放電管長度與輸出功率成正比。在一定的長度范圍內，每米放電管長度輸出的功率隨總長度而增加。一般而言，放電管的粗細對對輸出功率沒有影響。 水冷套管的和放電管一樣，都是由硬質玻璃制成。它的作用是冷卻工作氣體，使得輸出功率穩(wěn)定。 儲氣管與放電管的兩端相連接，即儲氣管的一端有一小孔與放電管相通，另一端經過螺旋形回氣管與放電管相通。它的作用是可以使氣體在放電管中與中循環(huán)流動，放電管中的氣體隨時交換。4.2 光學諧振腔光學諧振腔由全反射鏡和部分反射鏡組成，是CO2激光器的

10、重要組成部分。光學諧振腔通常有三個作用：控制光束的傳播方向，提高單色性；選定模式；增長激活介質的工作長度。最簡單常用的激光器的光學諧振腔是由相向放置的兩平面鏡（或球面鏡）構成。CO2激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡采用由K8光學玻璃或光學石英加工成大曲率半徑的凹面鏡，在鏡面上鍍有高反射率的金屬膜鍍金膜，使得波長為10.6m的光反射率達98.8，且化學性質穩(wěn)定。我們知道二氧化碳發(fā)出的光為紅外光，因此反射鏡需要應用透紅外光的材料。因為普通光學玻璃對紅外光不透，就要求在全反射鏡的中心開一小孔，再密封上一塊能透過10.6m激光的紅外材料，以封閉氣體，這樣就使諧振腔內激光的一部分從這一小孔輸出腔外，形成

11、一束激光。4.3 電源及泵浦 泵浦源能夠提供能量使工作物質中上下能級間的粒子數翻轉。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。3040mA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。五、CO2激光器原理5.1 CO2分子的的能級結構與其它分子激光器一樣，CO2激光器工作原理其受激發(fā)射過程也較復雜。分子有三種不同的運動，即分子里電子的運動，其運動決定了分子的電子能態(tài)；二是分子里的原子振動，即分子里原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動并決定于分子的振動能態(tài)；三是分子轉動，即分子為一整體在空間連續(xù)地旋轉，分子的這種運動決定了分子的轉

12、動能態(tài)。分子運動極其復雜，因此能級也很復雜。 CO2分子為線性對稱排列的三原子分子，三個原子排列成一條直線（分子軸），中間是碳原子，兩端是氧原子。分子里的各原子始終運動著，要繞其平衡位置不停地振動。根據分子振動理論，CO2有三種不同的振動方式：二個氧原子沿分子軸，向相反方向振動，即兩個氧在振動中同時達到振動的最大值和平衡值，而此時分子中的碳原子靜止不動，因而其振動被叫做對稱振動。兩個氧原子在垂直于分子軸的方向振動，且振動方向相同，而碳原子則向相反的方向垂直于分子軸振動。由于三個原子的振動是同步的，又稱為變形振動。三個原子沿對稱軸振動，其中碳原子的振動方向與兩個氧原子相反，又叫反對稱振動能。在這

13、三種不同的振動方式中，確定了有不同組別的能級。 5.2 CO2分子的振轉躍遷 CO2分子二條最強的躍遷譜線 雖然有多條熒光譜線,但在激光器中能同時形成激光振蕩的只有1至3條,這是因為同一振動能級的各轉動能級之間靠得很近,粒子在能級間轉移很快(10-7 10-8s),一旦某一轉動能級上的粒子躍遷后,其他能級上的粒子就會按玻爾茲曼分布規(guī)律,轉移到這個能級上來,而其他能級上的粒子數減少,這就是轉動能級的競爭效應.由于這種競爭效應,如果工作條件使得某條譜線的增益系數較大,則此譜線首先起振,而同時抑制其他譜線振蕩.5.3 CO2激光器激光上能級的激發(fā)過程1）電子直接碰撞激發(fā)式中: CO2*(00

14、6;1) -CO2分子的激發(fā)態(tài) 2）串級躍遷激發(fā) 3）共振轉移激發(fā) 在CO2中摻有N2(氮)和CO,它們被電子碰撞激發(fā)到各自的激發(fā)態(tài),這些激發(fā)態(tài)的分子可把能量轉移給CO2基態(tài),使CO2躍遷到00º1能級。N2分子：CO分子：4）復合過程 放電過程中,有部分CO2分子會分解成CO和O,同時也存在CO和O的復合過程,在復合時,把原來分解時所需要的能重新釋放出來,使CO2分子激發(fā)到00º1能級.這個過程比前三個過程起的作用小得多. 被激發(fā)到激光上能級(00º1)的CO2分子,除了受激輻射引起衰減外,還存在一些其他因素使其衰減.我們把后者引起的衰減稱為消激發(fā). 引起消激發(fā)

15、的主要原因:碰撞和擴散.5.4 CO2激光器激光下能級的弛豫 由于CO2分子激光下能級10º0和02º0的輻射壽命很長,從激光上能級躍遷到這兩個能級的粒子,不能靠自發(fā)輻射很快返回到基態(tài),這必然會降低粒子反轉數.為盡快抽空下能級,必須靠與其他粒子碰撞.碰撞抽空下能級的弛豫過程分為兩步進行:第一步: 10º0和02º0能級的馳豫第二步:01¹0能級的馳豫 實驗發(fā)現,CO2激光下能級的“抽空”主要是靠氣體分子間碰撞,而不是靠與管壁碰撞.所以放電管直徑的大小對輸出的影響不大,特別是大功率激光器更是如此.因此,CO2激光器不象He-Ne激光器那樣一定要用

16、很細的毛細管.5.5 CO2激光器產生激光 CO2激光器中，主要的工作物質由CO2，氮氣，氦氣三種氣體組成。其中CO2是產生激光輻射的氣體、氮氣及氦氣為輔助性氣體。加入其中的氦，可以加速01¹0能級熱弛預過程，因此有利于激光能級10º0及02º0的抽空。氮氣加入主要在CO2激光器中起能量傳遞作用，為CO2激光上能級粒子數的積累與大功率高效率的激光輸出起到強有力的作用。 在放電管中，通常輸入幾十mA或幾百mA的直流電流。放電時，放電管中的混合氣體內的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來。這時受到激發(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

17、，CO2分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數反轉從而產生激光。六、CO2激光器的應用6.1工業(yè)應用 CO2激光器在激光加工方面占主導地位，它廣泛的用于焊接，切割，熱處理和清洗等方面，輸出激光的質量和功率都有很明確的要求。因此，工業(yè)中的CO2激光器要有高質量的激光光束和穩(wěn)定的輸出功率。(1) CO2激光器切割技術 激光切割技術廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。激光切割是應用激光聚焦后產生的高功率密度能量來實現的。與傳統(tǒng)的板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割質量、高的切割速度、高的柔性(可隨意切割任意形狀)、廣泛的材料適應性等優(yōu)點。(2) CO

18、2激光器的焊接技術 激光焊接是一種材料連接方法，主要是金屬材料之間連接的技術。它和傳統(tǒng)的焊接技術一樣，通過將連接區(qū)的部分材料熔化而將兩個零件或部件連接起來。因為激光能量高度集中，加熱、冷卻的過程及其迅速，一些普通焊接技術難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強的材料，用激光很容易實現。另一方面，在激光焊接過程中無機械接觸，易保證焊接部位不因受力而發(fā)生變形，通過熔化最小數量的物質實現合金連接，從而大大提高焊接質量，提高生產率。激光焊的焊縫深度比大，而焊縫熱影響區(qū)極小，質量好。 例如：金屬薄板的焊接，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屬。電池焊接，鋰電池的生產工序如極耳焊接、安全

19、閥焊接、負極焊接、外殼密封焊接使用激光焊接為最佳工藝，需要配備的激光焊接機的品種和數量十分巨大。6.2醫(yī)療應用近20年來激光技術在醫(yī)療有著飛速的進步，許多疾病和先天性的疾病都可以被成功地根治。 與其他激光手術相比，CO2激光手術刀具有切割能力強，組織吸收系數大，組織穿透濃度較小（約0.23mm），手術時不易傷及動脈血管等，使得連續(xù)CO2激光被大量用于外科手術臨床治療。 但是連續(xù)CO2激光在臨床上激光對組織的損傷屬非選擇性的，手術治療后常常伴隨著皮膚疤痕等副作用。超脈沖CO2激光器采用先進的脈沖技術和PWM電源控制技術，不但有連續(xù)CO2激光手術刀的共同特點，而且激光手術引起的組織反應較輕，對周圍

20、組織的損傷小，也縮短時間，治療時產生煙霧少，視野清晰。中國的激光醫(yī)療技術與西方相比水平并不低，且中國有十幾億人口，故激光醫(yī)療器械的潛在需求巨大，今后，我國激光醫(yī)療器械市場將迎來一個新的繁榮期，超脈沖CO2激光將在這一大浪中起舉足輕重的地位6.3軍事應用（1）激光制導 應用CO2激光相干成像雷達進行機載反坦克導彈的精確制導的研究，是1977年由麻省理工學院的林肯實驗室開始的，實驗室于1981年研制成功并進行了演示試驗。早在20世紀70年代末，美國國防先進技術研究計劃局就決定把CO2激光相干成像雷達作為第二代巡航導彈制導系統(tǒng)的主攻方向，現已到了技術基本成熟階段。目前CMAG技術已應用在空中發(fā)射的先

21、進戰(zhàn)略巡航導彈AGM-129A上，使其目標精度由原來的40m提高到3m，提高一個數量級。美國前麥·道公司為空軍研制的一種全天候CO2激光相干成像雷達，于1988年進行了樣機演示，預計裝在戰(zhàn)斧改型巡航導彈上。（2）激光武器激光武器作為一種新概念武器,與傳統(tǒng)常規(guī)武器相比,以其速度快,方向性好,能量密度高,作戰(zhàn)耗費比高等優(yōu)點,成為新世紀武器中的新寵.高能激光武器在軍事應用的方面扮演著越來越重要的角色,代表著未來武器的發(fā)展方向,將徹底改變目前的戰(zhàn)場環(huán)境和作戰(zhàn)方式,使未來戰(zhàn)爭的形態(tài)發(fā)生了深刻變革.高能氣動CO2激光器輸出功率大,曾被各國設計用于研制高能激光武器。 激光導彈防御或稱激光反導的基本

22、特征是：用由光速的高能激光去摧毀聲速運行的導彈或其它飛行固體。我們可以說這方面是CO2激光器的天下，因為它有一些突出的優(yōu)點。目前在陸軍中采用的陸基小型激光反導系統(tǒng)、空軍采用的機載激光反未來的CO2激光武器主要的特點是超高功率和高便攜性。高能激光器是未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的重要組成部分，將在反監(jiān)視、主動保護、防空和清除暴露地雷等方面做出貢獻。 未來的CO2激光武器將向著高功能、便攜式、殺傷力強發(fā)展。6.4環(huán)境應用 荷蘭納米根大學，使用L3S二氧化碳激光器做有關農業(yè)加工、氣體分析方面的研究，同時他們還使用ACCESS LASER COMPANY的激光器研究聲光光譜學。幾年前該大學的數名教授和研究人員已經成立

23、了自己的公司Sensor Sense B.V.目前開始批量生產用于環(huán)境測量，農業(yè)和工業(yè)過程監(jiān)控，以及有關國家安全的檢測設備。 該檢測設備利用CO2激光光譜吸收乙烯氣體，用高靈敏度氣體探頭探測乙烯含量。（1）蔬菜水果儲存環(huán)境的監(jiān)控乙烯是水果成熟的一個重要而敏感的標志。保守估計全球至少2540的農作物在采收后被損失掉。目前普遍采用的是CA，即低溫低氧、CO2高含量環(huán)境。根據測量乙烯含量來確認CA的條件，從而減少損失。 水果儲藏光聲光譜：通過感應散發(fā)的特定氣體，可以控制水果成熟的速度正在成熟中的水果 。光聲光譜靈敏度可達200ppt.（2）真菌研究（用于谷物蔬菜收獲后的保存技術）（3）固氮過程研究（

24、NIOO-CEMO, Yerseke使用該儀器在藍藻研究上取得成功）七、CO2激光器發(fā)展特點7.1發(fā)展歷史1 封離式慢速軸流橫流快速軸流渦輪風機快速軸流擴散型SLAB出現年代20世紀70年代中期20世紀80年代早期20世紀80年代中期20世紀80年代后期20世紀90年代早期20世紀90年代中期功率5001000200005000100005000光束質量MF因子不穩(wěn)定1.51052.51.2光束質量Kt因子不穩(wěn)定5351794.5 CO2激光器具有體積大、結構復雜、維護困難，金屬對10.6m波長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光致等離子體嚴重等缺點。 從上表可以

25、看出，早期的CO2激光器取向激光功率提高的方向發(fā)展，單當激光功率達到一定要求后，激光器的光束質量受到重視，激光器的發(fā)展隨之轉移到提高光束質量上。接近衍射極限的擴散冷卻板條式CO2激光器具有較好的光束質量，一經推出就得到了廣泛的應用，尤其是在激光切割領域，受到眾多企業(yè)的青睞。7.2發(fā)展現狀 CO2激光器從誕生到現在的近50年時間里一直被人類所關注，二氧化碳激光器是以CO2氣體作為工作物質的氣體激光器。CO2激光器是一種比較重要的氣體激光器，目前對CO2激光器的研究方向主要朝一下幾個方面16：第一， 高效率的CO2激光器。 顯然，相對于固體激光器其效率是非常高的，但是總體而言，相對于CO2激光器本

26、身其效率還是相對較低的。第二， 小體積多功能CO2激光器。 目前大部分的CO2激光器功能單一，只能夠從事某一項非常具體的工作。我們知道大型醫(yī)院里使用的CO2祛斑激光器和CO2除毛激光器，他們的體積都非常的龐大，但是結構基本相同。使用多功能CO2激光器的話，占用的體積小，而且售價相對也低了許多。第三， 高功率CO2激光器 高功率一直都是軍方的追求目標，在這方面國內的一些軍工企業(yè)的研究水平還是相對落后。美國空軍最早開始著手研究高功率CO2激光器。1975年，也就是CO2誕生的十一周年，美國空軍醫(yī)研制出功率達到30KW級別的CO2激光器。1988年，研究的CO2激光器的輸出功率已達到380KW。目前

27、根據美國軍方公布的部分數據，研制的CO2激光器輸出功率已達到千萬瓦級別。第四， 工業(yè)技術的研究CO2激光器在激光加工方面占主導地位，它廣泛的用于焊接，切割，熱處理和清洗等方面，輸出激光的質量和功率都有很明確的要求。因此，工業(yè)中的CO2激光器要有高質量的激光光束和穩(wěn)定的輸出功率。在這個方面我們一直跟在國外公司的后面，畢竟我們在工業(yè)方面的研究晚了近十年。在企業(yè)中，使用較多的CO2激光器為美國的大通公司所生產的。7.3發(fā)展前景 未來的CO2激光器將朝著以下幾個方向發(fā)展： (1)高功率橫流CO2激光器。 金剛石工具、汽車齒輪、汽車安全氣囊氣體發(fā)生器等焊接中的應用，激光表面淬火與熔覆工藝及其在鋼鐵軋輥表面熔凝淬火、石油化工零件表面修復等方面的特殊應用 (2)聲光調Q CO2激光器 激光測距、環(huán)境探測、空間通訊及激光與物質相互作用機理研