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1工作原理

CO?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。分子里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，CO?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于分子軸的方向振動，且振動方向相同，而碳原子則向相反的方向垂直于分子軸振動。由于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。

二氧化碳激光是一種分子激光。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于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，在等離子里，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。當與空心墻碰撞或者自然散發，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。

2激發過程

CO2激光器中，主要的工作物質由CO?，氮氣，氦氣三種氣體組成。其中CO?是產生激光輻射的氣體、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，因此有利于激光能級100及020的抽空。氮氣加入主要在CO?激光器中起能量傳遞作用，為CO?激光上能級粒子數的積累與大功率率的激光輸出起到強有力的作用。 CO?分子激光躍遷能級圖 　CO?激光器的激發條件：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于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CO?分子發生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子，CO?分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數反轉發出激光。 

3結構

激光管

是激光機中關鍵的部件。常用硬質玻璃制成，一般采用層套筒式結構。里面一層是放電管，第2層為水冷套管，外一層為儲氣管。二氧化碳激光器放電管直徑比He-Ne激光管粗。放電管的粗細一般來說對輸出功率沒有影響，主要考慮到光斑大小所引起的衍射效應，應根據管長而定。管長的粗一點，管短的細一點。放電管長度與輸出功率成正比。在一定的長度范圍內，每米放電管長度輸出的功率隨總長度而增加。加水冷套的目的是冷卻工作氣體，使輸出功率穩定。放電管在兩端都與儲氣管連接，即儲氣管的一端有一小孔與放電管相通，另一端經過螺旋形回氣管與放電管相通，這樣就可使氣體在放電管中與儲氣管中循環流動，放電管中的氣體隨時交換。

光學諧振腔

CO2激光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。所以反射鏡需要應用透紅外光的材料，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激光的紅外材料，以封閉氣體。這就使諧振腔內激光的一部分從這一小孔輸出腔外，形成一束激光。 

電源及泵浦

封閉式CO2激光器的放電電流較小，采用冷電極，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。 　泵浦采用連續直流電源激發。激勵CO2激光器直流電源原理，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激光管上。

4分類

（1）按輸出方式分
1）連續輸出；
2）脈沖輸出——調制頻率高達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）折疊腔：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：并聯—2腔；三角組聯—3腔。
3）大面積放電
（a）平板型，（b）同心環型。
（5）按均恒電感分布方式分
1）準電感諧振技術—用于低電容激光頭；
2）平行分布電感諧振技術—用于高電容激光
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。

5波長的因素

半導體光電器件的工作波長是和制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采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并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帶寬度的限制擴展到更寬的范圍。

6發展特點

CO2激光器具有體積大、結構復雜、維護困難，金屬對10.6μm波長的激光不能夠很好的吸收，不能采用光纖傳輸激光以及焊接時光致等離子體嚴重等缺點。

從上表可以看出，早期的CO2激光器取向激光功率提高的方向發展，但當激光功率達到一定要求后，激光器的光束質量受到重視，激光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激光器具有較好的光束質量，一經推出就得到了廣泛的應用，尤其是在激光切割領域，受到眾多企業的喜愛。