CO2雷射器是一種分子雷射，主要的物質是二氧化碳分子。與其它氣體雷射器一樣，CO2雷射器工作原理其受激發射過程也較複雜。分子有三種不同的運動，即分子裡電子的運動，其運動決定了分子的電子能態；二是分子裡的原子振動，即分子裡原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動——並決定於分子的振動能態；三是分子轉動，即分子為一整體在空間連續地旋轉，分子的這種運動決定了分子的轉動能態。分子運動極其複雜，因而能級也很複雜。
基本介紹
- 中文名：CO2雷射器
- 波長：9.2-10.8μm
- 工作大氣壓：10bar
- 特點：體積大、結構複雜、維護困難
工作原理,激發過程,結構,雷射管,光學諧振腔,電源及泵浦,分類,波長的因素,發展特點,
工作原理
CO2分子為線性對稱分子，兩個氧原子分別在碳原子的兩側，所表示的是原子的平衡位置。分子裡的各原子始終運動著，要繞其平衡位置不停地振動。根據分子振動理論，CO2有三種不同的振動方式：①二個氧原子沿分子軸，向相反方向振動，即兩個氧在振動中同時達到振動的最大值和平衡值，而此時分子中的碳原子靜止不動，因而其振動被叫做對稱振動。②兩個氧原子在垂直於分子軸的方向振動，且振動方向相同，而碳原子則向相反的方向垂直於分子軸振動。由於三個原子的振動是同步的，又稱為變形振動。③三個原子沿對稱軸振動，其中碳原子的振動方向與兩個氧原子相反，又叫反對稱振動。在這三種不同的振動方式中，確定了有不同組別的能級。
圖1簡單的二氧化碳分子能量水平圖
能量水平圖
能量水平圖二氧化碳雷射是一種分子雷射。主要的物質是二氧化碳分子。它可以表現多種能量狀態這要視其震動和旋轉的形態而定。基本的能量網狀見圖1。二氧化碳里的混合氣體是由於電子釋放而造成的低壓氣體（通常30-50托）形成的等離子（電漿）。如麥克斯韋-波爾茲曼分布定律所說，在等離子裡，分子呈現多種興奮狀態。一些會呈現高能態（00o1）其表現為不對稱擺動狀態。當與空心牆碰撞或者自然散發，這種分子也會偶然的丟失能量。通過自然散發這種高能狀態會下降到對稱擺動形態(10o0)以及放射出可能傳播到任何方向的光子（一種波長10.6μm的光束）。偶然的，這種光子的一種會沿著光軸的腔向下傳播也將在共鳴鏡里擺動。
激發過程
CO2雷射器中，主要的工作物質由CO2，氮氣，氦氣三種氣體組成。其中CO2是產生雷射輻射的氣體、氮氣及氦氣為輔助性氣體。加入其中的氦，可以加速010能級熱弛豫過程，因此有利於雷射能級100及020的抽空。氮氣加入主要在CO2雷射器中起能量傳遞作用，為CO2雷射上能級粒子數的積累與大功率高效率的雷射輸出起到強有力的作用。 CO2分子雷射躍遷能級圖 CO2雷射器的激發條件：放電管中，通常輸入幾十mA或幾百mA的直流電流。放電時，放電管中的混合氣體內的氮分子由於受到電子的撞擊而被激發起來。這時受到激發的氮分子便和CO2分子發生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子，CO2分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數反轉發出雷射。
結構
雷射管
光學諧振腔
CO2雷射器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡用K8光學玻璃或光學石英，經加工成大曲率半徑的凹面鏡，鏡面上鍍有高反射率的金屬膜——鍍金膜，在波長10.6μm處的反射率達98.8%，且化學性質穩定。二氧化碳發出的光為紅外光。所以反射鏡需要套用透紅外光的材料，因為普通光學玻璃對紅外光不透。就要求在全反射鏡的中心開一小孔。再密封上一塊能透過10.6μm雷射的紅外材料，以封閉氣體。這就使諧振腔內雷射的一部分從這一小孔輸出腔外，形成一束雷射。
電源及泵浦
封閉式CO2雷射器的放電電流較小，採用冷電極，陰極用鉬片或鎳片做成圓筒狀。30～40mA的工作電流，陰極圓筒的面積500cm2，不致鏡片污染，在陰極與鏡片之間加一光欄。 泵浦採用連續直流電源激發。激勵CO2雷射器直流電源原理，直流電壓為把市內的交流電壓，用變壓器提升，經高壓整流及高壓濾波獲得高壓電加在雷射管上。
分類
（1）按輸出方式分
1）連續輸出；
2）脈衝輸出——調製頻率高達1MHz；
3）Q開關輸出——電光調Q與聲光調Q。
（2）按諧振腔的工作分
1）波導腔——孔徑D=1～3mm；
2）自由空間腔——孔徑D=4～6mm。
（3）按激勵極性分
1）單相；
2）反相。
（4）按腔體結構分
1）單腔；
2）多腔；
（a）摺疊腔：V型——2折；Z型——3折；X型——4折。
（b）列陣腔：短肩列陣；交錯列陣。
（c）積木式：並聯—2腔；三角組聯—3腔。
3）大面積放電
（a）平板型，（b）同心環型。
（5）按均恆電感分布方式分
1）準電感諧振技術—用於低電容雷射頭；
2）平行分布電感諧振技術—用於高電容雷射
頭。
（6）按諧振腔材料分
1）陶瓷—金屬混合型；2）全陶瓷型；3）全金屬型。
（7）按冷卻方式分
1）空氣冷卻；2）水冷卻。
（8）按封裝方式分
1）封離型；2）流動型。
諧振腔的材料一般為：金屬—A1。陶瓷—BeO，BN、AIN、Al2O3等。
波長的因素
半導體光電器件的工作波長是和製作器件所用的半導體材料的種類相關的。半導體材料中存在著導帶和價帶?導帶上面可以讓電子自由運動?而價帶下面可以讓空穴自由運動?導帶和價帶之間隔著一條禁帶?當電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導帶中去時?就把光的能量變成了電?而帶有電能的電子從導帶跳回價帶?又可以把電的能量變成光?這時材料禁帶的寬度就決定了光電器件的工作波長。材料科學的發展使我們能採用能帶工程對半導體材料的能帶進行各種精巧的裁剪?使之能滿足我們的各種需要並為我們做更多的事情?也能使半導體光電器件的工作波長突破材料禁頻寬度的限制擴展到更寬的範圍。
發展特點
CO2雷射器具有體積大、結構複雜、維護困難，金屬對10.6μm波長的雷射不能夠很好的吸收，不能採用光纖傳輸雷射以及焊接時光致電漿嚴重等缺點。
CO2雷射器發展狀況
封離式 | 慢速軸流 | 橫流 | 快速軸流 | 渦輪風機快速軸流 | 擴散型SLAB | |
出現年代 | 20世紀70年代中期 | 20世紀80年代早期 | 20世紀80年代中期 | 20世紀80年代後期 | 20世紀90年代早期 | 20世紀90年代中期 |
功率 | 500 | 1000 | 20000 | 5000 | 10000 | 5000 |
光束質量MF因子 | 不穩定 | 1.5 | 10 | 5 | 2.5 | 1.2 |
光束質量Kt因子 | 不穩定 | 5 | 35 | 17 | 9 | 4.5 |
從上表可以看出，早期的CO2雷射器取向雷射功率提高的方向發展，但當雷射功率達到一定要求後，雷射器的光束質量受到重視，雷射器的發展隨之轉移到提高光束質量上。接近衍射極限的擴散冷卻板條式CO2雷射器具有較好的光束質量，一經推出就得到了廣泛的套用，尤其是在雷射切割領域，受到眾多企業的喜愛。
