二氧化碳激光器-课程设计

二氧化碳激光器-课程设计燕山大学题目： 二氧化碳激光器学院〔系： 理学院年级专业： 学 号：教师职称：燕山大学课程设计〔论文〕任务书〔系：理学院 基教学单位：应用物理系学 学生号 姓名设计二氧化碳激光器题目

专〔班应用物级〕 理设〔1〕阈值电流计〔2〕工作效率技术参数了解激光器的根本构成激光器的产生气制设〔3〕二氧化碳激光器的特性计要〔4〕了解二氧化碳激光器应用求燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：成绩：指导教师：年月 日辩论小组评语：成绩：评阅人：年月 日课程设计总成绩：年年月日II摘要激光是在有理论预备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞速进展，激光的进展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了生，而且导致整个一门兴产业的消灭。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的进展。激光器的产生具有划时代意义。本文主要介绍了CO2

些特点，重点介绍了气体激光器中的CO2

激光器的相关应用，目前CO2

激光器是用最广泛的激光器之一，它有着一些格外突出的高功率、高质量等优点。论文首先介绍了应用型CO2

CO激光器在军事、医疗和工业三个主要领域的应用，最终介绍应用型CO激2 2CO2

激光器的了解和生疏。关键词：激光技术；二氧化碳激光器；根本原理；根本构造；\*ROMAN\*ROMANIIIAbstractLaserisintheoryandpracticeunderthebackgroundofurgentneedemergeasthetimesrequire,itispublished,obtainedthefastdevelopmentofunusual,notonlymakethedevelopmentoflasertheancientopticsandopticaltechnologyacquiredanewlife,butalsocausethewholeanemergingindustry.The laser can make people to effectively utilize the hitherto unknownadvancedmethodsandmeanstoobtaintheunprecedentedbenefitsandoutcomes,therebypromotingthedevelopmentofproductivity.Laserhastheepoch-makingsignificance.ThisdeparturefromtheintroductionofCO2lasertechnology,introducedthebasicsituation,brieflyintroducedsomeofthecharacteristicsoflaserandlasertohighlighttheCO2gaslaserinlaser-relatedapplications,thecurrentCO2laserwasoneofthemostextensivelaser,ithadsomeveryprominenthigh-power,highqualityandsoon.PaperintroducedtheapplicationofCO 2laser-typebasicstructureandworkingprinciple,focusingontheapplicationtypeCO2laserinthemilitary,medicalandindustrialapplicationofthethreemainareas,Finally,appliedresearchprospectsforCO2laserandstatus.ThroughthesepresentationsallowedpeopletodeepentheirknowledgeandunderstandingofCOslasers.Keywords: Lasertechnology；CO2 Laser；Basic Principle；BasicStructure；Application.名目\l“_TOC_250014“摘要 II\l“_TOC_250013“第1章绪论 1\l“_TOC_250012“激光器的产生及进展 1\l“_TOC_250011“二氧化碳激光器的争论和进展 1\l“_TOC_250010“本文主要争论内容 2\l“_TOC_250009“第2章激光器及二氧化碳激光器的原理 3\l“_TOC_250008“激光产生的条件 3\l“_TOC_250007“激光器 3\l“_TOC_250006“CO激光器工作原理 5第3章二2化碳激光器的应用 7\l“_TOC_250005“二氧化碳激光器在工业应用 7\l“_TOC_250004“二氧化碳激光器在军事上应用 7\l“_TOC_250003“二氧化碳激光器在医学上应用 8\l“_TOC_250002“第4章二氧化碳激光器的前景展望 11\l“_TOC_250001“结论 13\l“_TOC_250000“参考文献 141第1章绪论激光器的产生及进展1916年爱因斯坦提出了一套全的技术理论‘受激辐射’。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子〔电子〕分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到〔跃迁〕到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光一样性质的光，而且在某种状态下，能消灭一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。1958内光灯泡所放射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出明媚的、始终会聚在一起的强光。依据这一现象，他们提出了“激光原理“，即物质在受到与其分子固有振荡频率一样的能量鼓励时，都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此发表了重要论文。肖洛和汤斯的争论成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种试验方案，但都未获成功。1960年515得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入有用领域的科学家。1960年77日，梅曼研制成功世界上第一台激光器，梅曼的案是，利用一个高强闪光灯管，来刺激在红宝石色水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其到达比太阳外表还高的温度。激光是在有理论预备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞速进展，激光的进展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了生，而且导致整个一门兴产业的消灭。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的进展。二氧化碳激光器的争论和进展1964PatelCO2

10.4微米和9.4微米CO2

分子的激光器诞生了。它有比较大的功率和比较高的能量转换效率。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微米四周有几十条谱线的激光输出。其在工业、军事、医疗、科研等方面得到了广泛的应用，给我们的实现生活带了很多便利。1966CO2

激光器诞生了，从今CO2

激光器受到了极大的关注。由于激光技术中气动技术的引进，CO2

激光器开拓了宽阔的运用前景。伴随着科学技术的进步，世界各国的激光技术也得到了相应的进展，二氧化碳激光器是目前连续输出功率较高的一种激光，它进展较早，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。在激光的进展和应用方面，CO2

激光器的制作和应用较早也较多，早在1970年月末期，就有从国外直接进口CO2

激光器，从事工业加工和医疗等应用。从80年月末期开头，CO2

激光器被广泛引进并应用在在材料加工领域。本文主要争论内容本文主要介绍了CO2

3个方面即军事医学和科技介绍了其应用，最终总结了CO2景。

激光器的争论现状和进展前第2激光产生的条件激光三要素:工作介质、鼓励源、谐振腔。1激光的产生必需选择适宜的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。关键是能在这种介质中实现粒子数反转，以获得产生激光的必要条件。明显，亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转是格外有利的。2、鼓励源为了使工作介质中消灭粒子数反转，必需用肯定的方法去鼓励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用气体放电的方法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电鼓励；也可用脉冲光源来照耀工作介质，称为光鼓励；还有热鼓励、化学鼓励等。各种鼓励方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光输出，必需不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。3、谐振腔有了适宜的工作物质和鼓励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。还需要将辐射的光进展放大，于是人们就想到了用光学谐振腔进展放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，平行装上两块反射率很高的镜片，一块为全反射镜片，一块为局部反射、少量透射镜片。全反射镜片的作用是将入射的光全部按原路径反射回去，局部反射镜片的作用是将能量未到达肯定限度的局部光子按原路径反射回去，而达到肯定能量限度的光子则透射而出。这样，透射而出的这局部光子就成为我们需要的，经过放大了的激光；而被反射回工作介质的光，则连续诱发一轮的受激辐射，光将渐渐被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反响，雪崩似的获得放大，产生猛烈的激光，直到能量到达肯定的限度，从局部反射镜片中输出。激光器1954年制成了第一台微波量子放大器，1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961A.贾文等人制成了氦氖激光器。1962R.N.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不行少的组成局部有鼓励〔或抽运〕源、具有亚稳态能级的工作介质两个局部。鼓励是工作介质吸取外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转制造条件。鼓励方式有光学鼓励、电鼓励、化学鼓励和核能鼓励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成局部还有谐振腔，但谐振腔〔见光学谐振腔〕并非必不行少的组成局部，谐振腔可使腔内的光子有全都的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过转变谐振腔长度来调整所产生激光的模式〔即选模，所以一般激光器都具有谐振腔[4]。激光器的种类是很多的。下面，将分别从激光工作物质、鼓励方式、运转方式等几个方面进展分类介绍[5]。按工作物质分类〔晶体和玻璃〕激光器；②气体激光器，而进一步区分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等；③液体激光器，这类激光器所承受的工作物质主要包括两类，一类是有机荧光染料溶液，另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液；④半导体激光器；⑤自由电子激光器。按鼓励方式分类①光泵式激光器；②电鼓励式激光器；③化学激光器；④核泵浦激光器。(3)按运转方式分类式和工作状态亦相应有所不同，从而可区分为以下几种主要的类型。①连续激光器；②单次脉冲激光器；③重复脉冲激光器；④调激光器；⑤锁模激光器；⑥单模和稳频激光器；⑦可调谐激光器。CO激光器工作原理21CO2

激光器的产生激光的分子能级图。1中可以分析得到CO2

激光的激发过程，主要的工作物质由CO，氮2气，氦气三种气体组成。其中CO2

是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为关心性气体。参加的氦有两个作用：一个是可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空；另一个是实现有效的传热。氮气的参加主要在CO2

激光器中起能量传递作用，为CO2

激光上能级粒子数的积存与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。泵浦承受连续直流电源激发。它的直流电源原理：直流电压为把接入的[7]。1CO2

分子激光跃迁能级图CO210.6μm分为封闭式及循环式，按鼓励方式分电鼓励，化学鼓励，热鼓励，光鼓励与核鼓励等。在医疗中使用的CO2

激光器几乎百分之百是电鼓励[8]。COCO2

激光器工作原理其受激放射过程也较简单。分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动打算了分子的电子能态；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——并打算于分子的振动能态；三是分子转510动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动打算了分子的转动能态。分子运动极其简单，因此能级也很简单。COmAmA2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。第3二氧化碳激光器在工业应用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，可大大削减加工时间，降低加工本钱，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(可随便切割任意外形)、广泛的材料适应性等优点。激光切割技术分为金属切割是CO2

上考虑，一般用大功率激光切割机按加工站形式供给代工，随着国内中功率CO激光器的成熟，各个钣金厂会自购激光切割机，需求会大增。非金属切割2应用于刀模板切割，木材和高密度木质纤维板切割，塑胶切割[14]。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，通过将连接区的局部材料熔化而将两个零件或部件连接起来。由于激光能量高度集中，加热、冷却的过程及其快速，一些一般焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或松软性强的材料，用激光很简洁实现。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，而焊缝热影响区微小，质量好。CO2

激光器适合焊接1mm以下厚度的金属薄板,如汽车部件，发电机、刮水机、启动机、举窗机等常常使用到的层叠状的硅钢片的固定,过去承受打孔销钉固定，现在可以激光焊接。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正确工艺，需要配备的激光焊接机的品种和数量格外巨大。周密仪表零件的激光焊接需求也在增大，如不锈钢压力膜片的焊接、航空仪表外壳的焊接。二氧化碳激光器在军事上应用激光技术在军事上应用中，在这近几年里，CO2

激光器在这方面得到了稳步的进展。激光武器作为一种概念武器,与传统常规武器相比,以其速度快,方向性好,能量密度高,作战消耗比高等优点,成为世纪武器中的宠.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,代表着将来武器的进展方向,将彻底转变目前的战场环境和作战方式,使将来战斗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[11]。激光防范或称激光反导的根本特征是：用由光速的高能激光去摧毁声速运行的或其它飞行固体。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。目前在陆军中承受的陆基小型激光反导系统、空军承受的机载激光反将来的CO2

能激光器是将来战斗系统的重要组成局部，将在反监视、主动保护、防空和去除暴露地雷等方面做出奉献。高便携性将使单兵作战的力量大极大的提高，充分发挥每一个兵的作用，固然目前这个想法还是仅仅处于理论阶段。目前各国的激光武器都朝着这个方向努力，固然这个实导系统和海军承受的舰载CO2能、便携式、杀伤力强进展。

CO2

激光武器将向着高功二氧化碳激光器在医学上应用近20年来激光技术在医疗有着飞速的进步，很多疾病和先天性的疾病都可以被成功地根治。CO激光手术承受的是自由光束CO2

激光器，通常都是承受光束与皮肤组织非接触的方式，比常规手术供给了更多便利的条件，包括削减机械损伤，增加四周组织被保护等，并且更易保持无菌手术，与其他激光手术相比，CO2激光手术刀具有切割力量强，组织吸取系数大，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术临床治疗。

激光被大量用于外科手但是连续CO2

在临床上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。对病灶进展的切割或气化时也有不同程度地损伤正常组织，因而不能适用于有较高要求的手术治疗，这种状况严峻地限制了CO2激光在医疗中的进一步应用。1983AdersonParrish提出了“选择性光热作用”原理，以进展激光的无损伤治疗。这一原理的要点是：当激光通过正常组织到达病变靶组织时，应使靶组织对激光的吸取系数大于正常组织，其反差愈大愈好，以便在激光破坏靶组织时，不伤及正常组织；靶组织的热弛豫时应大于激光的脉冲宽度或作用时间，使靶组织在激光加热过程中，来不及将热量向四周正常组织集中，以保护四周正常组织。基于“选择性光热作用”原理，90年月后消灭了以超脉冲CO2

激光治疗机为代表的高能量脉冲医疗设备，并得到成功的应用，使得要求较高的应用领域得到突破性进展，特别是激光美容方面独占鳌头。进展前景格外宽阔。CO2

激光器承受先进的脉冲技术和PWM电源掌握技术，不仅能在极短时间内提高了激光输出的峰值功率，向靶组织供给足够的能量，而且可以通过PWM信号准确掌握每个脉冲的宽度和脉冲重复频率。通过计算靶组织的热弛豫时间，掌握脉冲宽度可实现最正确手术效果。如毛细血管的热弛豫时间约为10μs，要求脉宽小于10μs；皮肤组织的热弛豫时间大致为1ms，要求做皮肤磨削除皱的激光仪的脉宽小于1ms10余年前的激光仪的最大区分正是在于对脉宽的准确掌握，这是现代激光治疗安全性的根本保证。CO2

激光治疗机不但有连续CO2

激光手术刀的共同特点，还具有本身的优点，可输出高能量高重复频率的的脉冲激光，可满足“激光选择性光热作用”的操作要求，可以快速有效地去除病变靶组织，最大限度地削减激光对正常组织的损伤，大大提高了医学临床的准确性和安全性。临床实践证明，在进展同一种手术时脉冲激光所使用的激光功率要比连续激光低得多，因而由激光手术引起的组织反响较轻，对四周组织的损伤小，也缩短时间，治疗时产生烟雾少，视野清楚。CO2

〔Otorhinolaryngology科医学〔Gynecology，神经外科〔Neurosurgery，一般手术〔Surgery，美容学〔Aesthetics。微桥点阵治疗〔BridgeTherapy〕出者Lumenis医疗激光公司已经争论并生产了各种 CO2

激光治疗仪，像NovaPulseSeries可用于耳鼻喉科和美容学，其他还有波兰的CTL公司生产MODELCTL1401是一款手术仪，日本NANOLASERGL－Ⅲ可用于口腔科的CO激光治疗仪，目前国内已有5个国家级激光技术争论中心，十几个产品研2发机构。医疗激光设备生产企业主要集中在上海，武汉，长春，北京，成都等城市或是周边地区。例如拥有CO2

激光治疗技术的上海激光争论所，上海嘉〔主次。中国的激光医疗技术与西方相比水平并不低，且中国有13亿人口，故激光医疗器械的潜在需求巨大，今后10年，我国激光医疗器械市场将迎来2CO22CO2激光相干成像雷达进展机载反坦克的准确制导的争论，是1977年由麻省理工学院的林肯试验室开头的，试验室于1981年研制成功并进展了演示试验。早在20世纪70年月末，美国国防先进技术争论打算局〔DefenceAdvancedResearchProjectsAgency〕就决定把CO2激光相干成像雷达作为其次代巡航制导系统的主攻方向，现已到了技术根本成熟阶段。DARPA和美国空军航空系统分部主持的巡航先进制导〔CMAGCruiseMissileAdvancedGuidence〕预研打算，1977~1989年完成了争论打算，并完成了飞行演示试验，进一步研制了CO2激光主动成像雷达导引头工程样机。目前CMAG射的先进战略巡航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〔Tomahawk〕改型巡航上。第4二氧化碳激光器的前景展望CO2

激光器将朝着以下几个方向进展：高功率横流CO2高功率横流CO2

激光器。激光器，用于激光加工和热处理，激光器的整机呈一体化的箱体。箱体的上箱体中置有一体化的放电室、热交换器、风机系统、进出口导流器以及光学谐振腔，箱体的下箱体中置有激光电源、充放气系统、真空泵、镇流电阻箱和掌握盒。与已有技术相比具有构造紧凑、安装调试和维修便利、激光器的工作效率高，整机的体积可以小型化的特点。它主要应用于金刚石工具、汽车齿轮、汽车安全气囊气体发生器等焊接中的应用，激光外表淬火与熔覆工艺及其在钢铁轧辊外表熔凝淬火、石油化工零件外表修复等方面的特别应用。声光调QCO

激光器：为满足激光测距、环境探测、空间通讯及激光2与物质相互作用机理争论等领域应用要求，研制了声光调QC0激2光器。针对影响声光调QCO：激光器输出的各种因素，利用调Q脉冲激光器速2率方程对该激光器输出的主要技术参数进展了理论分析和计算，提出了声光调QCO

：激光器优化设计的方法，并进展了验证明验。激光器脉冲重复频率2为lHz～50kHz，在lkHz180ns，峰值功率为4062W，与理论计算根本全都。结果证明：通过声光晶体(AO)的优选及谐振腔的合理设计。可实现小型CO激光器的高重频、窄脉宽，顶峰值功率输2TTL信号掌握实现此类激光器的波长调谐和编码输出。紧凑型长寿命射频鼓励波导CO激光器:为了使CO激光器在工业加工2 2及军事上有更广泛的应用,承受铝合金拉制型材作为激光器壳体、盘装电感代替传统线绕电感的构造以及全金属封接工艺等,研制出一种紧凑型长寿命射频鼓励波导CO激光器.可连续输出或在不高于20kHz调制频率下脉冲输出,最2大输出功率30W,实测工作寿命超过1500h,存储寿命超过1.5a.结果说明,这种激