CO2激光器原理与应用

COCO2 2激光器原理及其应用激光器原理及其应用 课课 程程 激光原理与技术激光原理与技术 班班 级级 光信息光信息 121801121801 班班 学学 号号 201218010126201218010126 姓姓 名名 曾庆苏曾庆苏 指导教师指导教师 杨旭东杨旭东 完成日期完成日期 2015 6 152015 6 15 目录目录 前言 1 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 4 2 光学谐振腔 4 4 3 电源及泵浦 4 五 CO2激光器原理 5 5 1 CO2分子的的能级结构 5 5 2 CO2分子的振转跃迁 5 5 3 CO2激光器激光上能级的激发过程 6 5 4 CO2激光器激光下能级的弛豫 7 5 5 CO2激光器激光产生 7 六 CO2激光器的应用 8 6 1 工业应用 8 6 2 医疗应用 8 6 3 军事应用 9 6 4 环境应用 9 七 CO2激光器发展特点 10 7 1 发展历史 10 7 2 发展现状 10 7 3 发展前景 11 八 结束语 11 第 0 页 前言 前言 二氧化碳激光于 1964 年首次运用其波长为 10 6 m 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 1 COCO2 2激光器简介激光器简介 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 内的表层所吸收 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 第 1 页 二 二 COCO2 2激光器分类激光器分类 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 第 2 页 3 COCO2 2激光器输出特性及其缺点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 降低放电管内的 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 四 COCO2 2激光器结构激光器结构 1 封离式 CO2 激光器结构示意图 第 3 页 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 14 1 激光管激光管 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 在一定的长度范围内 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 24 2 光学谐振腔光学谐振腔 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 6 m 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 6 m 激光的红外材料 以封闭气体 这样就使谐振腔内激光的一部分从这 一小孔输出腔外 形成一束激光 4 34 3 电源及泵浦电源及泵浦 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 第 4 页 五 五 COCO2 2激光器原理激光器原理 5 15 1 COCO2 2分子的的能级结构分子的的能级结构 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 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 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 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 25 2 COCO2 2分子的振转跃迁分子的振转跃迁 CO2分子二条最强的跃迁谱线 第 5 页 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 35 3 COCO2 2激光器激光上能级的激发过程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 00 1 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 00 1 能级 N2 分子 CO 分子 100 000 0 2 0 2 eCOeCO 100 100 000 00 00 000 0 23 0 2 0 23 0 2 3 0 2 0 2 COCOCOCO eCOeCO ECON CON 3 2 100 0 000 3 2 1 3 0 22 0 23 2 100 0 000 1 0 2 0 2 COCO COCO 第 6 页 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 00 1 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 00 1 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 45 4 COCO2 2激光器激光下能级的弛豫激光器激光下能级的弛豫 由于 CO2分子激光下能级 10 0 和 02 0 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 10 0 和 02 0 能级的驰豫 第二步 01 0 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 5 CO2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 01 0 能级热弛预过程 因此有利于激光能级 10 0 及 02 0 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 的混合气体内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 11 2 0 2 0 2 11 2 0 2 0 2 50 001 2 000 002 52 001 2 000 010 cmCOCOCO cmCOCOCO ECOMCO cmCOCOCO 000 001 667 000 2 000 001 0 2 1 2 10 2 0 2 1 2 第 7 页 六 六 COCO2 2激光器的应用激光器的应用 6 16 1 工业应用工业应用 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 26 2 医疗应用医疗应用 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 第 8 页 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 36 3 军事应用军事应用 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 46 4 环境应用环境应用 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 ACCESS LASER COMPANY 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 Sensor Sense B 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 第 9 页 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 七 COCO2 2激光器发展特点激光器发展特点 7 17 1 发展历史发展历史 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 S LAB 出现年代20 世纪 7 0 年代中 期 20 世纪 8 0 年代早 期 20 世纪 8 0 年代中 期 20 世纪 8 0 年代后 期 20 世纪 9 0 年代早 期 20 世纪 9 0 年代中 期 功率 5001000200005000100005000 光束质量 MF 因子 不稳定 1 51052 51 2 光束质量 Kt 因子 不稳定 5351794 5 CO2激光器具有体积大 结构复杂 维护困难 金属对 10 6 m 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 27 2 发展现状发展现状 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 第 10 页 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 在这方面国内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 37 3 发展前景发展前景 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