二氧化碳激光器

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所属分类:固体激光器
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二氧化碳激光器

二氧化碳激光器

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  二氧化碳激光器,可称“隐身人”,因为它发出的激光波长为10.6 微米,“身”处红外区,肉眼不能觉察,它的工作方式有连续、脉冲两种。

  连续方式产生的激光功率可达20 千瓦以上。脉冲方式产生波长10.6 微米的激光也是最强大的一种激光。

  人们已用它来“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展,也是光武器和核聚变研究中的重大成果。

  最普通的二氧化碳激光器是一支长1 米左右的放电管。它产生的激光是看不见的,在砖上足以把砖头烧到发出耀眼的白光。二氧化碳激光于1964年首次运用其波长为10.6μm。

  因为这是一种非常有效率的激光,作为商业模型来说其转换效率达到10%,所以二氧化碳激光广泛用于激光切割,焊接,钻孔和表面处理。作为商业应用激光可达45千瓦,这是最强的物质处理激光。

  二氧化碳激光是一种分子激光。主要的物质是二氧化碳分子。它可以表现多种能量状态这要视其震动和旋转的形态而定。基本的能量网状见图1。二氧化碳里的混合气体是由于电子释放而造成的低压气体(通常30-50托)形成的等离子

  。如麦克斯韦-波尔兹曼分布定律所说,在等离子里,分子呈现多种兴奋状态。一些会呈现高能态(00o1)其表现为不对称摆动状态。当与空心墙碰撞或者自然散发,这种分子也会偶然的丢失能量。通过自然散发这种高能状态会下降到对称摆动形态(10o0)以及放射出可能传播到任何方向的光子(一种波长10.6μm的光束)。偶然的,这种光子的一种会沿着光轴的腔向下传播也将在共鸣镜里摆动。

  二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器放电管通常是由玻璃或石英材料制成,里面充以CO2气体和其他辅助气体(主要是氦气氮气,一般还有少量的氢或氙气);电极一般是镍制空心圆筒;谐振腔的一端是镀金的全反射镜,另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。

  当在电极上加高电压(一般是直流的或低频交流的),放电管中产生辉光放电,锗镜一端就有激光输出,其波长为10.6微米附近的中红外波段;一般较好的管子。一米长左右的放电区可得到连续输出功率40~60瓦。CO2激光器是一种比较重要的气体激光器。这是因为它具有一些比较突出的优点:

  它有比较大的功率和比较高的能量转换效率。一般的闭管CO2激光器可有几十瓦的连续输出功率,这远远超过了其他的气体激光器,横向流动式的电激励CO2激光器则可有几十万瓦的连续输出。此外横向大气压CO2激光器,从脉冲输出的能量和功率上也都达到了较高水平,可与固体激光器媲美。CO2激光器的能量转换效率可达30~40%,这也超过了一般的气体激光器。

  它是利用CO2分子的振动-转动能级间的跃迁的,有比较丰富的谱线微米附近有几十条谱线的激光输出。近年来发现的高气压CO2激光器,甚至可做到从9~10微米间连续可调谐的输出。

  它的输出波段正好是大气窗口(即大气对这个波长的透过率较高)。除此之外,它也具有输出光束的光学质量高,相干性好,线宽窄,工作稳定等优点。因此它在国民经济和国防上都有许多应用,如应用于加工(焊接、切割、打孔等),通讯、雷达、化学分析,激光诱发化学反应,外科手术等方面。

  应用CO2激光相干成像雷达进行机载反坦克导弹精确制导的研究,是1977年由麻省理工学院林肯实验室开始的,实验室于1981年研制成功并进行了演示试验。早在20世纪70年代末,美国国防先进技术研究计划局(Defence Advanced Research Projects Agency)就决定把CO2激光相干成像雷达作为第二代的主攻方向,现已到了技术基本成熟阶段。

  DARPA和美国空军航空系统分部主持的巡航导弹先进制导(CMAG,Cruise Missile Advanced Guidence)预研计划,1977~1989年完成了研究计划,并完成了飞行演示实验,进一步研制了CO2激光主动成像雷达导引头工程样机。

  CMAG技术已应用在空中发射的先进战略巡航导弹AGM-129A上,使其目标精度由原来的40m提高到3m,提高一个数量级。美国前麦·道公司为空军研制的一种全天候CO2激光相干成像雷达,于1988年进行了样机演示,预计装在战斧Tomahawk)改型巡航导弹上。

  因为二氧化碳激光器能达到的功率非常高,经常用来做工业的切割机,而低功率的激光器常常用来雕刻。此外,由于水在二氧化碳激光器的发光频率极容易挥发,因此也常常被用来做激光嫩肤

  左都罗, 李适民. 快轴流CO2激光器评述[J]. 激光技术, 2000, 24(1):4-8.

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