CO2激光管組成結構和工作原理

CO2激光管組成結構

典型的封離式CO2激光管基本結構如上圖所示，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(cháng)度與輸出功率成正比。水冷管的作用是冷卻工作氣體，維持輸出功率穩定，而且防止在放電泵浦過(guò)程中，放電管因受熱炸裂。儲氣管的作用一方面增加了增益介質(zhì)的儲氣量，減少放電過(guò)程中工作氣體成分和壓力的變化，延長(cháng)運轉壽命，另一方面又增強了放電管的機械強度和穩定性?；貧夤苁沁B接放電管中兩電極空間的細螺旋管，可以改善由電泳現象造成的極間電壓的不平衡分布，較長(cháng)的回氣管還避免了儲氣罐與電極之間產(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(xiàn)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(xiàn)性對稱(chēng)分子，兩個(gè)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(dòng)著(zhù)，要繞其平衡位置不停地振動(dòng)。根據分子振動(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(chēng)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(chēng)振動(dòng)。

3.三個(gè)原子沿對稱(chēng)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(chēng)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。

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。它可以表現多種能量狀態(tài)這要視其震動(dòng)和旋轉的形態(tài)而定?；镜哪芰烤W(wǎng)狀見(jiàn)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(shuō)，在等離子里，分子呈現多種興奮狀態(tài)。一些會(huì )呈現高能態(tài)(00o1)其表現為不對稱(chēng)擺動(dòng)狀態(tài)。當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(guò)自然散發(fā)這種高能狀態(tài)會(huì )下降到對稱(chēng)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(cháng)10.6μm的光束)。偶然的，這種光子的一種會(huì )沿著(zhù)光軸的腔向下傳播也將在共鳴鏡里擺動(dòng)。

激發(fā)過(guò)程

CO2激光管中，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。有了氦氣，可以加速010能級熱弛預過(guò)程，更有利于激光能級100及020的抽空。氮氣加入主要在CO2激光管中起能量傳遞作用，為CO2激光上能級粒子數的積累以及大功率高效率的激光輸出起到強有力的作用。 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的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來(lái)。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分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數反轉發(fā)出激光。