二氧化碳激光

二氧化碳 (CO₂) 激光器是一种高效的气体激光器，可发射连续波或脉冲红外光束。它于 1964 年发明，至今仍是最有用、功率最高的激光器之一。由于它主要在中红外光谱中工作——最常见的是 10.6 µm (10600 nm)，偶尔也使用 9.6 µm——其光束对人眼不可见，但在传递强热能方面非常有效。

工作原理

1. 激发：对气体混合物施加放电，使氮分子激发到更高的振动能级。
2. 能量转移：由于氮是同核分子，它能长时间保持这种能量。它与 CO₂ 分子碰撞，将振动能量转移给它们，从而实现“粒子数反转”（即处于激发态的 CO₂ 分子多于处于较低能态的分子）。
3. 发射：当 CO₂ 分子从激发态降至较低振动态时，它们会发射红外光子（通常在 10600 nm）。
4. 冷却：氦气有两个作用：它帮助 CO₂ 分子在发射光子后降至基态，并有效地将热量从气体混合物传递到管壁。

物理结构

CO₂ 激光器的物理结构需要专门的光学元件，因为标准硅酸盐玻璃会大量吸收 10.6 µm 处的光。

• 放电管：容纳气体混合物的中心腔室，通常由玻璃或陶瓷制成。
• 电极：用于向气体输送高压放电或射频 (RF) 能量。
• 光学谐振腔（谐振器）：高反射镜（后端反射镜）：一个完全反射的反射镜，通常由硅或钼制成，表面镀金或电介质，以将 100% 的红外光反射回管内。
  • 输出耦合器（前端反射镜）：一个部分反射的反射镜，允许一部分激光以工作光束的形式逸出。它通常由特殊的红外透射材料制成，如硒化锌 (ZnSe) 或锗 (Ge)。

关键光学指标

• 工作波长：主要输出为 10.6 µm (10600 nm)，次要谱线约为 9.6 µm。
• 输出功率：从用于光谱应用的几毫瓦到用于重工业加工的几十千瓦不等。
• 光束质量 (M² 因子)：高质量的密封管式 CO₂ 激光器的 M² 值通常接近 1.0（接近理论上完美的 Gaussian 光束），这意味着它们可以聚焦到极小的光斑尺寸。
• 效率：对于气体激光器而言相对较高，通常将 10% 到 20% 的输入电能转换为光输出功率。

分类和类型

• 密封管激光器：气体混合物密封在管内。它们结构紧凑，维护需求少，通常用于低功率应用（高达几百瓦）。
• 轴向流激光器：气体混合物沿光学光束轴线连续泵送通过激光管以散热。能够产生数千瓦的连续功率。
• 横向流激光器：气体垂直于光轴流动。这允许非常高的冷却速率和极高的连续功率输出（通常 >10 kW）。
• TEA (横向激励大气压) 激光器：在大气压下以短时、高压脉冲运行。这些产生非常短、峰值功率极高的脉冲，而不是连续波。

应用

• 工业制造：金属、塑料、木材和亚克力的切割、焊接和雕刻。10600 nm 波长被有机材料和大多数非金属高度吸收。
• 医疗和外科：用于皮肤科的皮肤重塑和软组织手术，因为 10.6 µm 波长被水大量吸收，可以精确汽化组织，出血极少。
• 军事：激光雷达系统和测距应用。
• 光谱学：用作高度可调谐的红外光源，用于识别化合物。

实际案例：亚克力切割系统

在典型的激光雕刻车间中，一台 60 瓦的密封管式 CO₂ 激光器用于从铸造亚克力板上切割复杂的形状。

当操作员将设计文件发送到机器时，射频电源会在密封管中产生放电。由此产生的 10600 nm 红外光束通过 ZnSe 输出耦合器射出。然后，光束通过一系列镀金硅“飞行光学元件”（安装在移动式 X-Y 龙门架上的反射镜）引导到切割头。在切割头内部，ZnSe 聚焦透镜将 10 毫米宽的光束聚焦到亚克力表面上微小的焦点。强烈的局部热量会立即汽化亚克力，当龙门架沿着编程路径移动光束时，会留下干净、抛光的边缘。