二氧化碳激光器

二氧化碳激光器、CO2 激光器或通俗地稱為二氧化碳激光器描述了中紅外氣體、分子和紅外激光器中不同設計的一類激光器。 其激光介質為二氧化碳，具有四能級系統。 除固體激光器外，它是功率xxx、使用頻率最高的工業激光器之一。 可實現高達 80 kW 的輸出功率和高達 100 kJ 的脈沖能量。 CO2 激光器產生一束波長在 9.4 和 10.6 μm 波段的紅外光。CO2 激光器相對高效且便宜，這就是它們特別用于工業材料加工的原因。 效率約為15％至20％。

激光介質通常由 CO2-N2-He 氣體混合物組成。 N2 分子在諧振器中被直流或高頻輝光放電激發。 N2分子特別容易激發振蕩。 這是實際的動態分子振動（在本例中為價振動），而不是原子電子的激發，如在固態激光器中那樣。 電子激發和電離也發生，但與 CO2 分子的激發過程無關。

如果 N2 分子被激發，它們只能以兩個離散的振幅（ν 和 2ν）振蕩。 由于 N2 分子沒有xxx偶極矩，發射光子的振動能級之間的躍遷（光學躍遷）是被禁止的，N2 分子可以在這種激發態下保持很長時間（數量級：1 毫秒）。 由于長時間處于激發態，它們極有可能通過第二種碰撞刺激 CO2 分子在其四種正常振動（參見分子振動）中的一種振動——這使得 N2 分子成為一種能量儲存。 被激發到 2ν3 能級的 CO2 分子必須首先通過自發能量損失下降一個能級，然后才能發射光子。

一旦 CO2 分子失去了高達 ν3 的動能，它們就能夠從這種亞穩態下降到 2 ν2 和 ν1 狀態，發射指定波長的光子。 分子更有可能選擇 ν3 → ν1 躍遷。 因此，盡管增益帶寬更大，但僅發射 10.6 μm 左右的波長。 在這個過程之后，二氧化碳分子回到亞穩態。 通過與氦原子碰撞，它們放棄動能并回到基態。 與氦氖激光器相比，這是 CO2 激光器的巨大優勢，在氦氖激光器中，激發原子必須與壁碰撞才能達到基態。 這不是這里的情況，這就是為什么可以實現更大的諧振器直徑并且效率大幅提高的原因。

二氧化碳激光器n有幾種可能的設計，它們不僅在結構上有所重疊：

• 長流和橫流激光器
  • 慢流激光
  • 快速電流激光
• 完成激光
• 波導激光器（slablaser）
• 橫向激發大氣壓激光器（TEA激光器）
• 射頻激發激光器
• 氣體動力激光器
• 可調諧高壓激光器

慢縱流激光器的基本結構比較簡單。 激光氣體是氮氣、二氧化碳和氦氣三種氣體的混合物，由真空泵通過放電管不斷吸入。 在本設計中，光泵浦是通過軸向直流放電實現的，這保證了部分二氧化碳在放電過程中離解成一氧化碳和氧氣。 出于這個原因，氣體混合物的上述連續供應是必要的，因為否則一段時間后將不再有任何二氧化碳。 通過水冷管上的熱傳導進行冷卻。

填充在快速、縱向流動的激光器管道系統中的混合氣體通過另一個泵（旋轉活塞泵或渦輪壓縮機）進行循環，以進行氣體交換和冷卻。 這使激發的二氧化碳分子有更多時間返回到它們的基態。 快流激光器在氣流中有一個單獨的冷卻器（熱交換器），放電管未冷卻。

在非常高的功率下，放電和氣流是問題朝向射流方向，從而可以進行特別快速的氣體交換。 然而，這會降低效率和光束質量。

在密封的 CO2 激光器中，氣體混合物不會被機械泵取代。 相反，氫氣、水蒸氣和氧氣被添加到氣體混合物中。 混合物確保在光泵浦期間產生的一氧化碳在鉑電極處再次反應以形成二氧化碳并且氣體空間中的二氧化碳含量因此被再生。

這里也使用波導代替管系統。

在這種稱為平板激光器的設計中，兩個電極用作波導。 使用高頻泵送氣體混合物。 這些激光器具有不穩定的諧振腔，通過光束整形產生高光束質量。 板條激光器通常是封閉的，但也有一些變體需要更換氣體混合物。

縱向流激光器不能在高于 10 mbar 的氣壓下運行，否則會形成電弧。 為了避免這個問題，放電電壓可以短于一微秒的脈沖橫向施加到氣流上。 相應的二氧化碳激光器因此被稱為橫向激發大氣壓激光器，簡稱TEA激光器。 這使得高達 1 巴的氣壓成為可能。 實現了大約 100 ns 的脈沖持續時間。

在 10 瓦到 200 瓦的范圍內，它們主要用于切割、雕刻和打孔薄的有機材料（塑料、紡織品、木材等）。 脈沖 CO2 激光器用于無機材料（例如混合電路的陶瓷基板）的劃線和切割。 在鈑金加工（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約 35 毫米的非合金鋼和xxx約 25 毫米的高合金鋼。 6千瓦以上的CO2激光器主要用于焊接、淬火和重熔，也越來越多地用于40毫米以下的無氧化物激光切割。 小批量單獨切割金屬板時，CO2 激光器是標準工具；大批量沖壓更便宜。

在 10.6 μm 處，CO2 激光器的波長完全超出高性能窗口材料（例如玻璃纖維）的傳輸窗口。石英玻璃。 因此 - 與可見或近紅外光譜范圍的激光器不同 - CO2 激光器的輻射不能在傳統的玻璃基光纖中被引導。 因此，傳統上使用金屬鏡將光線引導至工件。 作為替代方案，越來越多的基于鹵化銀的特殊光纖（PIR 光纖）正在建立。 聚焦是由金屬制成的拋物面鏡或由單晶硒化鋅制成的透鏡完成的。CO2 激光的波長會被大多數金屬強烈反射 - 因此乍一看它不適合加工它們。但是，一旦部分吸收激光和 If 材料隨后被去除（例如通過蒸發）在金屬工件的表面上，形成毛細管形式的凹陷，激光束被毛細管壁上的多次反射完全吸收。 此外，由于等離子共振的影響，激光束與毛細管中的金屬蒸汽之間存在相互作用。這種最初需要的穿孔工藝由于高水平的背反射和金屬飛濺而在技術上很關鍵可能會到達聚焦光學元件。 銅、金和其他有色金屬很難用 CO2 激光器加工。

CO2 激光的波長被玻璃很好地吸收，這就是為什么 CO2 激光也用于玻璃加工，例如焊接鹵素燈泡、雕刻水杯或在制藥行業劃傷安瓿瓶。

基于激光誘導的熱應力的脆性材料（玻璃、陶瓷）的分離過程也是已知的。 該材料使用 CO2 激光器進行局部加熱，但不會熔化。

有人嘗試使用 CO2 激光器進行鈾濃縮。 含鈾氣體被激光轟擊，并對某些激光頻率產生不同的反應。 這就是鈾 235 和鈾 238 的分離方式。