CO气体激光机原理

CO2气体激光机的原理二氧化碳激光器基本原理二氧化碳激光器效率高，不造成工作介质损害，发射出10.6μm波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。按气体的工作形式可分封闭式及循环式；按激励方式分电激励，化学激励，热激励，光激励与核激励等。在医疗中使用的二氧化碳激光器几乎百分之百是电激励。

二氧化碳激光器的工作原理：与其它分子激光器一样，二氧化碳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，因而能级也很复杂。

二氧化碳分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧，所表示的是原子的平衡位置。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，二氧化碳有三种不同的振动方式：①二个氧原子沿分子轴，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。②两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。③三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。

二氧化碳激光的激发过程：二氧化碳激光器中，主要的工作物质由二氧化碳，氮气，氦气三种气体组成,一般还有少量的氢或氙气。其中二氧化碳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010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在二氧化碳激光器中起能量传递作用，为二氧化碳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。

二氧化碳分子激光跃迁能级图

二氧化碳激光器的激发条件

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二氧化碳分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给二氧化碳分子，二氧化碳分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。

二氧化碳激光器的结构二氧化碳激光器结构图

光学谐振腔

是激光机中最关键的部件。常用硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。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。二氧化碳激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响，主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应，应根据管长而定。管长的粗一点，管短的细一点。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。加水冷套的目的是冷却工作气体，使输出功率稳定。放电管在两端都与储气管连接，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，这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动，放电管中的气体随时交换。

光学谐振腔

二氧化碳激光器的谐振腔常用平凹腔，反射镜用K8光学玻璃或光学石英，经加工成大曲率半径的凹面镜，镜面上镀有高反射率的金属膜——镀金膜，在波长10.6μm处的反射率达98.8％，且化学性质稳定。另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜二氧化碳发出的光为红外光。所以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10.6μm激光的红外材料，以封闭气体。这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。

电源及泵浦

封闭式二氧化碳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。泵浦采用连续直流电源激发。激励二氧化碳激光器直流电源原理，直流电压为把市内的交流电压，用变压器提升，经高压整流及高压滤波获得高压电加在激光管上。

射频激励CO2激光器模拟控制方法

目前在小功率（低于100W）射频激励的CO2激光器中，包括进口的激光器，功率控制大多采用PWM方式，通过频率及占空比可调的脉冲信号控制激光器的输出功率。如SYNRAD公司J型号48系列射频激励CO2激光器中，其占空比可调的机理是通过安装在计算机ISA卡上的D/A转换卡将占空比转换为对应的0～10V电压，然后用该模拟电压控制UC2000输出脉冲信号的占空比，频率调整机理是通过手动调节电位器，调整频率发生器的谐振频率。模拟控制原理框图采取这种方式有两点不妥：其一，模拟信号易受干扰，控制精度难以达到预期的占空比要求。其二，计算机上的ISA卡插槽正逐步被淘汰，因而改用串口、并口或USB接口方式将更具有实用性。射频激励CO2激光器功率的数字控制方法

全数字电路方式产生频率及占空比可调的脉冲信号，可靠性及灵活性将会有很大提高。全数字电路方式是指在整个信号处理过程中，信号均以“0”或“1”的不同组合形式出现，信码只有逻辑低与逻辑高两种变化状态，其抗干扰能力强。同时随着微电子工艺的发展，大规模现场可编程逻辑器件的容量也越来越大，可编程器件处理数字信号的能力得到不断提高。正因为抗干扰能力强，信号处理方便，数字电路越来越受到人们的青睐。通过全数字方式产生频率及占空比可调的PWM信号，正是从提高可靠性及灵活性的角度出发，改变原电路产生PWM信号的不足之处。数字控制原理框图如图所示。为便于工作人员操作方便，采用由上层计算机发送频率及脉宽控制指令，然后在PWM控制器中通过单片机处理上层计算机发送的控制指令

若采用单片机实现其功能，根据系统设计的要求，单片机既需调用串口中断，也需调用内部定时器中断，这样便造成输出的脉冲不稳定，加之PWM控制的脉冲频率为5KHz,10KHz,15KHz,20KHz.若脉冲频率为20KHz，则要求单片机在50μS内完成占空比可调的任务，常用的单片机是不可能实现的，除非用DSP