二氧化碳激光器

二氧化碳激光器、CO2 激光器或通俗地称为二氧化碳激光器描述了中红外气体、分子和红外激光器中不同设计的一类激光器。 其激光介质为二氧化碳，具有四能级系统。 除固体激光器外，它是功率xxx、使用频率最高的工业激光器之一。 可实现高达 80 kW 的输出功率和高达 100 kJ 的脉冲能量。 CO2 激光器产生一束波长在 9.4 和 10.6 µm 波段的红外光。CO2 激光器相对高效且便宜，这就是它们特别用于工业材料加工的原因。 效率约为15％至20％。

激光介质通常由 CO2-N2-He 气体混合物组成。 N2 分子在谐振器中被直流或高频辉光放电激发。 N2分子特别容易激发振荡。 这是实际的动态分子振动（在本例中为价振动），而不是原子电子的激发，如在固态激光器中那样。 电子激发和电离也发生，但与 CO2 分子的激发过程无关。

如果 N2 分子被激发，它们只能以两个离散的振幅（ν 和 2ν）振荡。 由于 N2 分子没有xxx偶极矩，发射光子的振动能级之间的跃迁（光学跃迁）是被禁止的，N2 分子可以在这种激发态下保持很长时间（数量级：1 毫秒）。 由于长时间处于激发态，它们极有可能通过第二种碰撞刺激 CO2 分子在其四种正常振动（参见分子振动）中的一种振动——这使得 N2 分子成为一种能量储存。 被激发到 2ν3 能级的 CO2 分子必须首先通过自发能量损失下降一个能级，然后才能发射光子。

一旦 CO2 分子失去了高达 ν3 的动能，它们就能够从这种亚稳态下降到 2 ν2 和 ν1 状态，发射指定波长的光子。 分子更有可能选择 ν3 → ν1 跃迁。 因此，尽管增益带宽更大，但仅发射 10.6 µm 左右的波长。 在这个过程之后，二氧化碳分子回到亚稳态。 通过与氦原子碰撞，它们放弃动能并回到基态。 与氦氖激光器相比，这是 CO2 激光器的巨大优势，在氦氖激光器中，激发原子必须与壁碰撞才能达到基态。 这不是这里的情况，这就是为什么可以实现更大的谐振器直径并且效率大幅提高的原因。

二氧化碳激光器n有几种可能的设计，它们不仅在结构上有所重叠：

• 长流和横流激光器
  • 慢流激光
  • 快速电流激光
• 完成激光
• 波导激光器（slablaser）
• 横向激发大气压激光器（TEA激光器）
• 射频激发激光器
• 气体动力激光器
• 可调谐高压激光器

慢纵流激光器的基本结构比较简单。 激光气体是氮气、二氧化碳和氦气三种气体的混合物，由真空泵通过放电管不断吸入。 在本设计中，光泵浦是通过轴向直流放电实现的，这保证了部分二氧化碳在放电过程中离解成一氧化碳和氧气。 出于这个原因，气体混合物的上述连续供应是必要的，因为否则一段时间后将不再有任何二氧化碳。 通过水冷管上的热传导进行冷却。

填充在快速、纵向流动的激光器管道系统中的混合气体通过另一个泵（旋转活塞泵或涡轮压缩机）进行循环，以进行气体交换和冷却。 这使激发的二氧化碳分子有更多时间返回到它们的基态。 快流激光器在气流中有一个单独的冷却器（热交换器），放电管未冷却。

在非常高的功率下，放电和气流是问题朝向射流方向，从而可以进行特别快速的气体交换。 然而，这会降低效率和光束质量。

在密封的 CO2 激光器中，气体混合物不会被机械泵取代。 相反，氢气、水蒸气和氧气被添加到气体混合物中。 混合物确保在光泵浦期间产生的一氧化碳在铂电极处再次反应以形成二氧化碳并且气体空间中的二氧化碳含量因此被再生。

这里也使用波导代替管系统。

在这种称为平板激光器的设计中，两个电极用作波导。 使用高频泵送气体混合物。 这些激光器具有不稳定的谐振腔，通过光束整形产生高光束质量。 板条激光器通常是封闭的，但也有一些变体需要更换气体混合物。

纵向流激光器不能在高于 10 mbar 的气压下运行，否则会形成电弧。 为了避免这个问题，放电电压可以短于一微秒的脉冲横向施加到气流上。 相应的二氧化碳激光器因此被称为横向激发大气压激光器，简称TEA激光器。 这使得高达 1 巴的气压成为可能。 实现了大约 100 ns 的脉冲持续时间。

在 10 瓦到 200 瓦的范围内，它们主要用于切割、雕刻和打孔薄的有机材料（塑料、纺织品、木材等）。 脉冲 CO2 激光器用于无机材料（例如混合电路的陶瓷基板）的划线和切割。 在钣金加工（激光切割）中，通常使用 1 至 6 千瓦的光束功率。 它可用于切割xxx约 35 毫米的非合金钢和xxx约 25 毫米的高合金钢。 6千瓦以上的CO2激光器主要用于焊接、淬火和重熔，也越来越多地用于40毫米以下的无氧化物激光切割。 小批量单独切割金属板时，CO2 激光器是标准工具；大批量冲压更便宜。

在 10.6 µm 处，CO2 激光器的波长完全超出高性能窗口材料（例如玻璃纤维）的传输窗口。石英玻璃。 因此 - 与可见或近红外光谱范围的激光器不同 - CO2 激光器的辐射不能在传统的玻璃基光纤中被引导。 因此，传统上使用金属镜将光线引导至工件。 作为替代方案，越来越多的基于卤化银的特殊光纤（PIR 光纤）正在建立。 聚焦是由金属制成的抛物面镜或由单晶硒化锌制成的透镜完成的。CO2 激光的波长会被大多数金属强烈反射 - 因此乍一看它不适合加工它们。但是，一旦部分吸收激光和 If 材料随后被去除（例如通过蒸发）在金属工件的表面上，形成毛细管形式的凹陷，激光束被毛细管壁上的多次反射完全吸收。 此外，由于等离子共振的影响，激光束与毛细管中的金属蒸汽之间存在相互作用。这种最初需要的穿孔工艺由于高水平的背反射和金属飞溅而在技术上很关键可能会到达聚焦光学元件。 铜、金和其他有色金属很难用 CO2 激光器加工。

CO2 激光的波长被玻璃很好地吸收，这就是为什么 CO2 激光也用于玻璃加工，例如焊接卤素灯泡、雕刻水杯或在制药行业划伤安瓿瓶。

基于激光诱导的热应力的脆性材料（玻璃、陶瓷）的分离过程也是已知的。 该材料使用 CO2 激光器进行局部加热，但不会熔化。

有人尝试使用 CO2 激光器进行铀浓缩。 含铀气体被激光轰击，并对某些激光频率产生不同的反应。 这就是铀 235 和铀 238 的分离方式。