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光學工程
CO2激光器的工作原理和分類

二氧化碳激光于1964年首次運用其波長為10.6μm。因為這是一種非常有效率的激光,作為商業模型來說其轉換效率達到10%,所以二氧化碳激光廣泛用于激光切割,焊接,鉆孔和表面處理。作為商業應用激光可達45千瓦,這是目前最強的物質處理激光。

1.運作原理

二氧化碳激光是一種分子激光。主要的物質是二氧化碳分子。它可以表現多種能量狀態這要視其震動和旋轉的形態而定。基本的能量網狀見圖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,分子呈現多種興奮狀態。一些會呈現高能態(00o1)其表現為不對稱擺動狀態。當與空心墻碰撞或者自然散發,這種分子也會偶然的丟失能量。通過自然散發這種高能狀態會下降到對稱擺動形態(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,這種光子的一種會沿著光軸的腔向下傳播也將在共鳴鏡里擺動。

 

大體上,二氧化碳激光的工作物質是由二氧化碳、氦、氮氣所組成的混合物。氮氣作為緩沖氣體以及它的分子共鳴地傳遞刺激能量給二氧化碳分子。因為張弛水平(01110)是瓶頸,氦的作用是作為熱壑來傳遞能量給水平(01110)給氦原子。

2.二氧化碳激光的種類

廢熱被拒的方式對激光系統設計有很大的影響。原則上,有兩種可能的方式。第一種方式是基于自動處理自然擴散熱氣到管墻,運作原理就是密封和慢軸流激光。第二種是基于氣體強迫對流,其運作原理就是快軸流激光。大體上,主要有五種二氧化碳激光:

密封式或無流式

慢軸流

快軸流

快速橫向流

橫向激勵大氣(TEA)

密封或無流式二氧化碳激光通常以用于光束偏轉激光做記號。它的放電管完全被封住。這種激光束的質量非常好。而且在大多數情況下整個放電管可以換新舊的可以重新灌氣所以容易保養。這樣就無需使用分離式的氣體供應系統。只需要在激光頭做較少的連接。所以它既緊密且輕巧。但是其能量輸出較低(通常少于200瓦)。

TEA二氧化碳激光通常應用于防護罩制作。只能在脈沖形勢下操作。氣流低且氣壓高。其激勵電壓大概在一萬伏。這種激光束能量分布在相對的大區域是統一的。它的最高能量最高可以達到1012瓦而且其脈沖寬度非常小。盡管如此,由于多狀態運轉所以這種形式的激光很難在小點上集中。

3.泵的電源供應

對于CW二氧化碳激光而言,總體上說主要有三種給泵供電的方式。例如:直流電(DC)、高頻(HF)、射頻(RF)。直流電供電設計最簡單。在高頻率供電式中電子在頻率20-50千赫茲之間交替。相對直流電而言,高頻供電在大小上緊密而且較高效率。射頻供電中電子在頻率2至100兆赫茲之間交替。與直流電相比,其電壓和效率都較低。

 


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