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CO2激光器原理

星之球激光 來源:電子工程世界2011-08-01 我要評論(0 )   

CO2 激光器光電效率相對較高,不造成工作介質(zhì)損害,發(fā)射出 10.6 m 波長的不可見激光,是一種比較理想的激光器。按氣體的工作形式可分封閉式及循環(huán)式,按激勵方式分電激...

        CO2激光器光電效率相對較高,不造成工作介質(zhì)損害,發(fā)射出10.6μm波長的不可見激光,是一種比較理想的激光器。按氣體的工作形式可分封閉式及循環(huán)式,按激勵方式分電激勵,化學(xué)激勵,熱激勵,光激勵與核激勵等。在醫(yī)療中使用的CO2激光器幾乎百分之百是電激勵。

  CO2激光器的工作原理:與其它分子激光器一樣,CO2激光器工作原理其受激發(fā)射過程也較復(fù)雜。分子有三種不同的運動,即分子里電子的運動,其運動決定了分子的電子能態(tài);二是分子里的原子振動,即分子里原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動——并決定于分子的振動能態(tài);三是分子轉(zhuǎn)動,即分子為一整體在空間連續(xù)地旋轉(zhuǎn),分子的這種運動決定了分子的轉(zhuǎn)動能態(tài)。分子運動極其復(fù)雜,因而能級也很復(fù)雜。

  CO2分子為線性對稱分子,兩個氧原子分別在碳原子的兩側(cè),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(jù)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(dá)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,又叫反對稱振動能。在這三種不同的振動方式中,確定了有不同組別的能級。

  CO2激光的激發(fā)過程:CO2激光器中,主要的工作物質(zhì)由CO2,氮氣,氦氣三種氣體組成。其中CO2是產(chǎn)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能級熱弛預(yù)過程,因此有利于激光能級100020的抽空。氮氣加入主要在CO2激光器中起能量傳遞作用,為CO2激光上能級粒子數(shù)的積累與大功率高效率的激光輸出起到強有力的作用。

 


     CO2分子激光躍遷能級圖

CO2激光器的激發(fā)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(nèi)的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來。這時受到激發(fā)的氮分子便和CO2分子發(fā)生碰撞,N2分子把自己的能量傳遞給#p#分頁標(biāo)題#e#CO2分子,CO2分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)發(fā)出激光。

  結(jié)構(gòu):①激光管:是激光機中最關(guān)鍵的部件。常用硬質(zhì)玻璃制成,一般采用層套筒式結(jié)構(gòu)。最里面一層是放電管,第2層為水冷套管,最外一層為儲氣管。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(xì)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(yīng),應(yīng)根據(jù)管長而定。管長的粗一點,管短的細(xì)一點。放電管長度與輸出功率成正比。在一定的長度范圍內(nèi),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(wěn)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(jīng)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(huán)流動,放電管中的氣體隨時交換。


CO2激光器結(jié)構(gòu)圖

    光學(xué)諧振腔:CO2激光器的諧振腔常用平凹腔,反射鏡用K8光學(xué)玻璃或光學(xué)石英,經(jīng)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(dá)98.8%,且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。二氧化碳發(fā)出的光為紅外光。所以反射鏡需要應(yīng)用透紅外光的材料,因為普通光學(xué)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(nèi)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。3040mA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(xù)直流電源激發(fā)。激勵CO2激光器直流電源原理,直流電壓為把市內(nèi)的交流電壓,用變壓器提升,經(jīng)高壓整流及高壓濾波獲得高壓電加在激光管上。

 

 

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