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CO2激光器工作原理的详细分析

点击次数:1622 发布时间:2010-7-16

CO2激光器工作原理的详细分析

 

CO2激光器光电效率相对较高,不造成工作介质损害,发射出10.6μm波长的不可见激光,是一种比较理想的激光器。按气体的工作形式可分封闭式及循环式,按激励方式分电激励,化学激励,热激励,光激励与核激励等。

 CO2激光器光电效率相对较高,不造成工作介质损害,发射出10.6μm波长的不可见激光,是一种比较理想的激光器。按气体的工作形式可分封闭式及循环式,按激励方式分电激励,化学激励,热激励,光激励与核激励等。在医疗中使用的CO2激光器几乎是电激励。

  CO2激光器的工作原理:与其它分子激光器一样,CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动,即分子里电子的运动,其运动决定了分子的电子能态;二是分子里的原子振动,即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动——并决定于分子的振动能态;三是分子转动,即分子为一整体在空间连续地旋转,分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂,因而能级也很复杂。

  CO2分子为线性对称分子,两个氧原子分别在碳原子的两侧,所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着,要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论,CO2有三种不同的振动方式:二个氧原子沿分子轴,向相反方向振动,即两个氧在振动中同时达到振动的zui大值和平衡值,而此时分子中的碳原子静止不动,因而其振动被叫做对称振动。两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动,且振动方向相同,而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的,又称为变形振动。三个原子沿对称轴振动,其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反,又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中,确定了有不同组别的能级。

  CO2激光的激发过程:CO2激光器中,主要的工作物质由CO2,氮气,氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦,可以加速010能级热弛预过程,因此有利于激光能级100020的抽空。氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用,为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率率的激光输出起到强有力的作用。

  CO2激光器的激发条件:放电管中,通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时,放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰撞,N2分子把自己的能量传递给CO2分子,CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。

  结构:激光管:是激光机中zui关键的部件。常用硬质玻璃制成,一般采用层套筒式结构。zui里面一层是放电管,第2层为水冷套管,zui外一层为储气管。二氧化碳激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响,主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应,应根据管长而定。管长的粗一点,管短的细一点。放电管长度与输出功率成正比。在一定的长度范围内,每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。加水冷套的目的是冷却工作气体,使输出功率稳定。放电管在两端都与储气管连接,即储气管的一端有一小孔与放电管相通,另一端经过螺旋形回气管与放电管相通,这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动,放电管中的气体随时交换。

 光学谐振腔:CO2激光器的谐振腔常用平凹腔,反射镜用K8光学玻璃或光学石英,经加工成大曲率半径的凹面镜,镜面上镀有高反射率的金属膜——镀金膜,在波长10.6μm处的反射率达98.8%,且化学性质稳定。二氧化碳发出的光为红外光。所以反射镜需要应用透红外光的材料,因为普通光学玻璃对红外光不透。就要求在全反射镜的中心开一小孔。再密封上一块能透过10.6μm激光的红外材料,以封闭气体。这就使谐振腔内激光的一部分从这一小孔输出腔外,形成一束激光。

  电源及泵浦:封闭式CO2激光器的放电电流较小,采用冷电极,阴极用钼片或镍片做成圆筒状。3040mA的工作电流,阴极圆筒的面积500cm2,不致镜片污染,在阴极与镜片之间加一光栏。

  泵浦采用连续直流电源激发。激励CO2激光器直流电源原理,直流电压为把市内的交流电压,用变压器提升,经高压整流及高压滤波获得高压电加在激光管上。

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