CO2激光器原理与应用

1、CQ激光器原理及其应用课程激光原理与技术班级光信息121801班学号201218010126姓名曾庆苏指导教师杨旭东完成日期2015615目录前言 1一、CO激光器简介 1二、CO激光器分类 2三、CO激光器输出特性及其缺点 3四、CO激光器结构 34.1激光管 44.2光学谐振腔 44.3电源及泵浦 4五、CO激光器原理 55.1 CO2分子的的能级结构 55.2 CO2分子的振转跃迁 55.3 CO2激光器激光上能级的激发过程 65.4 CO2激光器激光下能级的弛豫 75.5 CO2激光器激光产生 7六、CO激光器的应用 86.1工业应用 86.2医疗应用 86.3军事应用 96.4环境应

2、用 9七、CO激光器发展特点 107.1发展历史 107.2发展现状 107.3发展前景 11八、结束语 11第12页前言：二氧化碳激光于1964年首次运用其波长为10.6卩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

3、的重大成果。论文首先介绍了应用型CQ激光器的基本结构和工作原理，着重介绍了应用 型CO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 CO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CO激光器的了解和认识。、CQ激光器简介1964年，Patel等人首先发现了用CQ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CQ气体激光的研究，今天它已经成 为产品，广泛用于各种领域。CQ 2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。CQ分

4、子气体激光器中主要物质为 CQ，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 CQ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，CQ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：CQ 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。CO激光器分类2.1按输出方式分1

5、）连续输出；2 ）脉冲输出一一调制频率高达1MHz3 ） 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 ）波导腔一一孔径D=13mm2 ）自由空间腔孔径 D=46mm2.3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型一一2折；Z型一一3折；X型一一4折。（b）列阵腔：短肩列阵；交错列阵。（c）积木式：并联一2腔；三角组联一3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 ）准电感谐振技术一用于低电容激光头；2 ）平行分布电感谐振技术一用于高电容激光 头。2.6按谐振腔材料分1 ）陶瓷一金属混合型；

6、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：金属一A1。陶瓷一BeQ BN AIN、Al2O3等。三、CO激光器输出特性及其缺点3.1特性CO 2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 CO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CO激光器则可有几十万瓦的连续输出。此外横向大气压 CO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。 CO激光器

7、的能量转换效率可达3040%这也超过了一般的气体激光器。第二，它是利用CO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CO激光器，甚至可做到从910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，CO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CO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

8、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CO分子的分解，降低放电管内的 CO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、CO激光器结构岀水口(1)封离式CO2激光器结构示意图如图1所示是为一种典型的CO激光器结构示意图。构成 CO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：4.1激光管激光器中最关键的部分。通常由硬质玻璃制成，一

9、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。4.2光学谐振腔光学谐振腔由全反射镜和部分反射镜组

10、成，是 CO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。CO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一一镀金膜， 使得波长 为10.6卩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卩m激光的 红外材料，以封闭气体，这样

11、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。4.3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CO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。3040mA的工作电流，阴极圆筒的面积500cm,不致镜片污染，在阴极与镜片之间加一光 栏。五、CO激光器原理5.1 CO2分子的的能级结构与其它分子激光器一样，CO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一一并 决定于分子的振动能态；三是分子转动，即分子为

12、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。CO 2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，CO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

13、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。分子的振动模电3 000(-2 5001500P(2O)#Rt2O>5jim2DOO10. 6越mR(20)1732215.2 CO2分子的振转跃迁CO2分子二条最强的跃迁谱线10.6 pm 00°1 ->10°09.6 P m 00®l -> 02°0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), 旦

14、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.5.3 CO2激光器激光上能级的激发过程1) 电子直接碰撞激发co2(oo°o)1 co2*(oo°i)e式中：CO 2*(00 o1) -CO 2分子的激发态2) 串级跃迁激发CO2(0000)C02*(00° 3) e'C02(00° 3) CO2(0000p C02*(00° 3 T) CO

15、2*(0001)3) 共振转移激发在CO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 CO基态,使CO跃迁到00o1能级。N2分子：*N2( 3 叮,2,3 ) CO2(0000) >N2( =0) CO2*(00° 3 叮,2,3 ) ECO分子：CO (二 1) CO2(00o0) >CO C 二 0) CO2 (00o1)4) 复合过程放电过程中,有部分CO分子会分解成CO和0,同时也存在CO和0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CO分子激发到00o1能 级.这个过程比前三个过程起的作用小得多被

16、激发到激光上能级(00o1)的CO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5.4 CO2激光器激光下能级的弛豫由于CO分子激光下能级10o0和02o0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 o0和02o0能级的驰豫CQ(1O0O)+CQ(OO0O) 2CO2(0110)+52cm10 0 1-1CO2(02u0CO2(00u0 2CQ(010)-50cmr

17、第二步:01 10能级的驰豫CO2(0T0) + CO2(00°0)t 2CO2(0000) + 667cm"CO2(0110) M > CO2(00°0)E实验发现,CQ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,CQ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CO 2激光器中，主要的工作物质由 CO,氮气，氦气三种气体组成。其中 CO 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 0110能级热弛预过

18、程，因此有利于激光能级 10o0及02o0的抽空。氮气加入主 要在CO激光器中起能量传递作用，为 CO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勺直流电流。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CO分子发生碰撞，2分子把自己的能量传递给 CO分子，CO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。六、CO激光器的应用6.1工业应用CO 2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

19、的CO激光器要有高质量的激光光束和稳定的输出功率。CO 2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。 CO 2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

20、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。6.2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，CO激光手

21、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CO激光被大量用于外科手术临床治疗。但是连续CO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CO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CO 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CO激光将在这一大浪中起举足

22、轻重的地位6.3军事应用(1) 激光制导应用CO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CO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-129AL,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CO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

23、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CO 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CO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CO激光武器主要的特点是超高功率和高便携性

24、。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CO激光武器将向着高功能、便携式、杀伤力强发展。6.4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CO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

25、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、CO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。水果储藏一一光声光谱：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、CO激光器发展特点7.1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SLAB出现年代20世纪70年代中期20世纪80年代早 期20世

26、纪80年代中 期20世纪80年代后 期20世纪90年代早 期20世纪90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5351794.5CO 2激光器具有体积大、结构复杂、维护困难，金属对 10.6卩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CO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 CO激光器具有较好的光束质 量，一经推出

27、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。7.2发展现状CO 2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CO气体作为工作物质的气体激光器。CO激光器是一种比较重要的气体激 光器，目前对CO激光器的研究方向主要朝一下几个方面16:第一，高效率的CO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CO激光器本身其效率还是相对较低的。第二，小体积多功能CO激光器。目前大部分的CO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 CO祛斑激光器和CO除毛激光器，他们的体积都非常 的庞大，但是结构基本相同

28、。使用多功能 CO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CO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 CO激光器。1975年，也就是 CO诞生的一周年，美国空军医研制出功率达到30KW级别的CO激光器。1988年，研究的CO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CO激光器输出功率已达到千万瓦级别。第四，工业技术的研究CO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CO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 CO激光器为美国的大通公司所生产的。7.3发展前景未来的CO激光器将朝着以下几个方向发展：(1) 高功率横流CO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 面淬火与熔覆工艺及其在钢铁轧辊表面熔凝淬火、石油化工零件表面修复