CO2激光管組成結(jié)構(gòu)

典型的封離式CO2激光管基本結(jié)構(gòu)如上圖所示，主要由硬質(zhì)玻璃、諧振腔、電極三部分組成。

1. 硬質(zhì)玻璃部分

本部件由GG17料燒制成放電管、水冷管、儲(chǔ)氣管和回氣管而組成，其中放電管是CO2 激光器中關(guān)鍵的部件，它基本上決定了激光輸出的特性，放電管長度與輸出功率成正比。水冷管的作用是冷卻工作氣體，維持輸出功率穩(wěn)定，而且防止在放電泵浦過程中，放電管因受熱炸裂。儲(chǔ)氣管的作用一方面增加了增益介質(zhì)的儲(chǔ)氣量，減少放電過程中工作氣體成分和壓力的變化，延長運(yùn)轉(zhuǎn)壽命，另一方面又增強(qiáng)了放電管的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性?；貧夤苁沁B接放電管中兩電極空間的細(xì)螺旋管，可以改善由電泳現(xiàn)象造成的極間電壓的不平衡分布，較長的回氣管還避免了儲(chǔ)氣罐與電極之間產(chǎn)生放電作用，確保放電只發(fā)生在放電管中。

2. 諧振腔部分

本部件由全反鏡和輸出反射鏡組成。諧振腔的全反鏡一般以光學(xué)玻璃為基底，表面渡金膜，金膜反射鏡在 10.6um 附近的反射率達(dá)98%以上；諧振腔的輸出反射鏡一般采用能透射 10.6um 輻射的紅外線材料鍺(Ge)為基底,在上面渡上多層介質(zhì)膜而制成。

3. 電極部分

CO2 激光器一般采用冷陰極，形狀為圓筒形，陰極材料選用對激光器的壽命有很大的影響； 對陰極材料的基本要求是：濺射率低，氣體吸收率小。

CO2激光管工作原理

CO2分子為線性對稱分子，兩個(gè)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(yùn)動(dòng)著，要繞其平衡位置不停地振動(dòng)。根據(jù)分子振動(dòng)理論，CO2有三種不同的振動(dòng)方式：

1.兩個(gè)氧原子在垂直于分子軸的方向振動(dòng)，且振動(dòng)方向相同，而碳原子則向相反的方向垂直于分子軸振動(dòng)。由于三個(gè)原子的振動(dòng)是同步的，又稱為變形振動(dòng)

2.兩個(gè)氧原子沿分子軸，向相反方向振動(dòng)，即兩個(gè)氧在振動(dòng)中同時(shí)達(dá)到振動(dòng)的最大值和平衡值，而此時(shí)分子中的碳原子靜止不動(dòng)，因而其振動(dòng)被叫做對稱振動(dòng)。

3.三個(gè)原子沿對稱軸振動(dòng)，其中碳原子的振動(dòng)方向與兩個(gè)氧原子相反，又叫反對稱振動(dòng)能。在這三種不同的振動(dòng)方式中，確定了有不同組別的能級(jí)。

能量水平圖

二氧化碳激光是一種分子激光。主要的物質(zhì)是二氧化碳分子。它可以表現(xiàn)多種能量狀態(tài)這要視其震動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的形態(tài)而定?；镜哪芰烤W(wǎng)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(xiàn)多種興奮狀態(tài)。一些會(huì)呈現(xiàn)高能態(tài)(00o1)其表現(xiàn)為不對稱擺動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)與空心墻碰撞或者自然散發(fā)，這種分子也會(huì)偶然的丟失能量。通過自然散發(fā)這種高能狀態(tài)會(huì)下降到對稱擺動(dòng)形態(tài)(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(huì)沿著光軸的腔向下傳播也將在共鳴鏡里擺動(dòng)。

激發(fā)過程

CO2激光管中，主要的工作物質(zhì)由CO2，氮?dú)?，氦氣三種氣體組成。其中CO2是產(chǎn)生激光輻射的氣體、氮?dú)饧昂鉃檩o助性氣體。有了氦氣，可以加速010能級(jí)熱弛預(yù)過程，更有利于激光能級(jí)100及020的抽空。氮?dú)饧尤胫饕贑O2激光管中起能量傳遞作用，為CO2激光上能級(jí)粒子數(shù)的積累以及大功率高效率的激光輸出起到強(qiáng)有力的作用。 CO2激光管的激發(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(shí)，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(shí)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CO2分子，CO2分子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)發(fā)出激光。