CO2激光器

與其它氣體激光器一樣，CO2激光器工作原理其受激發射過程也較復雜。分子有三種不同的運動，即分子里電子的運動，其運動決定了分子的電子能態；二是分子里的原子振動，即分子里原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動——并決定于分子的振動能態；三是分子轉動，即分子為一整體在空間連續地旋轉，分子的這種運動決定了分子的轉動能態。分子運動極其復雜，因而能級也很復雜。

中文名 :二氧化碳激光器   外文名 :Carbon dioxide laser

1工作原理

CO₂分子為線性對稱分子，兩個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著，要繞其平衡位置不停地振動。根據分子振動理論，CO₂有三種不同的振動方式：①二個氧原子沿分子軸，向相反方向振動，即兩個氧在振動中同時達到振動的最大值和平衡值，而此時分子中的碳原子靜止不動，因而其振動被叫做對稱振動。②兩個氧原子在垂直于分子軸的方向振動，且振動方向相同，而碳原子則向相反的方向垂直于分子軸振動。由于三個原子的振動是同步的，又稱為變形振動。③三個原子沿對稱軸振動，其中碳原子的振動方向與兩個氧原子相反，又叫反對稱振動能。在這三種不同的振動方式中，確定了有不同組別的能級。

2激發過程

CO2激光器中，主要的工作物質由CO₂，氮氣，氦氣三種氣體組成。其中CO₂是產生激光輻射的氣體、氮氣及氦氣為輔助性氣體。加入其中的氦，可以加速010能級熱弛預過程，因此有利于激光能級100及020的抽空。氮氣加入主要在CO₂激光器中起能量傳遞作用，為CO₂激光上能級粒子數的積累與大功率高效率的激光輸出起到強有力的作用。 CO₂分子激光躍遷能級圖　CO₂激光器的激發條件：放電管中，通常輸入幾十mA或幾百mA的直流電流。放電時，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起來。這時受到激發的氮分子便和CO₂分子發生碰撞，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出激光。

3結構

激光管

是激光機中最關鍵的部件。常用硬質玻璃制成，一般采用層套筒式結構。最里面一層是放電管，第2層為水冷套管，最外一層為儲氣管。二氧化碳激光器放電管直徑比He-Ne激光管粗。放電管的粗細一般來說對輸出功率沒有影響，主要考慮到光斑大小所引起的衍射效應，應根據管長而定。管長的粗一點，管短的細一點。放電管長度與輸出功率成正比。在一定的長度范圍內，每米放電管長度輸出的功率隨總長度而增加。加水冷套的目的是冷卻工作氣體，使輸出功率穩定。放電管在兩端都與儲氣管連接，即儲氣管的一端有一小孔與放電管相通，另一端經過螺旋形回氣管與放電管相通，這樣就可使氣體在放電管中與儲氣管中循環流動，放電管中的氣體隨時交換。

光學諧振腔

CO2激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡用K8光學玻璃或光學石英，經加工成大曲率半徑的凹面鏡，鏡面上鍍有高反射率的金屬膜——鍍金膜，在波長10.6μm處的反射率達98.8%，且化學性質穩定。二氧化碳發出的光為紅外光。所以反射鏡需要應用透紅外光的材料，因為普通光學玻璃對紅外光不透。就要求在全反射鏡的中心開一小孔。再密封上一塊能透過10.6μm激光的紅外材料，以封閉氣體。這就使諧振腔內激光的一部分從這一小孔輸出腔外，形成一束激光。

電源及泵浦

封閉式CO2激光器的放電電流較小，采用冷電極，陰極用鉬片或鎳片做成圓筒狀。30～40mA的工作電流，陰極圓筒的面積500cm2，不致鏡片污染，在陰極與鏡片之間加一光欄。 　泵浦采用連續直流電源激發。激勵CO2激光器直流電源原理，直流電壓為把市內的交流電壓，用變壓器提升，經高壓整流及高壓濾波獲得高壓電加在激光管上。

4分類

（1）按輸出方式分

1）連續輸出；

2）脈沖輸出——調制頻率高達1MHz；

3）Q開關輸出——電光調Q與聲光調Q。

（2）按諧振腔的工作分

1）波導腔——孔徑D=1～3mm；

2）自由空間腔——孔徑D=4～6mm。

（3）按激勵極性分

1）單相；

2）反相。

（4）按腔體結構分

1）單腔；

2）多腔；

（a）折疊腔：V型——2折；Z型——3折；X型——4折。

（b）列陣腔：短肩列陣；交錯列陣。

（c）積木式：并聯—2腔；三角組聯—3腔。

3）大面積放電

（a）平板型，（b）同心環型。

（5）按均恒電感分布方式分

1）準電感諧振技術—用于低電容激光頭；

2）平行分布電感諧振技術—用于高電容激光

頭。

（6）按諧振腔材料分

1）陶瓷—金屬混合型；2）全陶瓷型；3）全金屬型。

（7）按冷卻方式分

1）空氣冷卻；2）水冷卻。

（8）按封裝方式分

1）封離型；2）流動型。

諧振腔的材料一般為：金屬—A1。陶瓷—BeO，BN、AIN、Al2O3等。

5決定波長的因素

半導體光電器件的工作波長是和制作器件所用的半導體材料的種類相關的。半導體材料中存在著導帶和價帶?導帶上面可以讓電子自由運動?而價帶下面可以讓空穴自由運動?導帶和價帶之間隔著一條禁帶?當電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導帶中去時?就把光的能量變成了電?而帶有電能的電子從導帶跳回價帶?又可以把電的能量變成光?這時材料禁帶的寬度就決定了光電器件的工作波長。材料科學的發展使我們能采用能帶工程對半導體材料的能帶進行各種精巧的裁剪?使之能滿足我們的各種需要并為我們做更多的事情?也能使半導體光電器件的工作波長突破材料禁帶寬度的限制擴展到更寬的范圍。

6發展特點

CO2激光器具有體積大、結構復雜、維護困難，金屬對10.6μm波長的激光不能夠很好的吸收，不能采用光纖傳輸激光以及焊接時光致等離子體嚴重等缺點。

CO2激光器發展狀況

從上表可以看出，早期的CO2激光器取向激光功率提高的方向發展，單當激光功率達到一定要求后，激光器的光束質量受到重視，激光器的發展隨之轉移到提高光束質量上。接近衍射極限的擴散冷卻板條式CO2激光器具有較好的光束質量，一經推出就得到了廣泛的應用，尤其是在激光切割領域，受到眾多企業的青睞

CO2激光治療外傷性面部瘢痕

瘢痕的綜合治療主要有8個方面的問題！

1、色素沉著的問題：對于這個問題可以選擇色素類的激光及強脈沖光來進行治療，或者是較流行的點陣激光也可以（只是要注意它只是用于陳舊性的瘢痕色素的問題起作用，對新鮮瘢痕不建議使用）。

在治療時應該根據瘢痕表面的色素的深淺（指瘢痕表面色素細胞的多少以及色素所在瘢痕的層次的深淺）、形成色素的時間長短來選擇治療參數，特別是強脈沖光的參數設置上應該選擇脈寬、波長較短有利于色素細胞吸收的治療參數，以免造成新的色素沉著，甚至新的瘢痕。

2、瘢痕表面凹凸不平的問題：針對這個問題的解決首選應該是激光磨削。用于激光磨削的儀器目前有新型的超脈沖CO2激光和鉺激光，當然點陣激光嚴格來說也應該屬于這一類激光，只是說相對而言它的損傷較小、恢復較快。

作用機理上新型高能超脈沖CO2激光和鉺激光它們采用高峰值短脈沖技術，能使激光在整個短脈沖期保持高峰值能量，可在瞬間準確地汽化瘢痕組織，且其作用于瘢痕組織的時間短于向周圍組織的熱弛豫時間，因此可最大限度地減少組織熱損傷這是從根本上不同于以往的普通CO2激光。超脈沖CO2激光和鉺激光對真皮的熱作用還能引起真皮膠原收縮、再生和重塑，從某種角度上說激光對瘢痕的磨削治療可以使瘢痕在創傷后會向更好的方向上發展。

3、瘢痕外傷性的問題：這主要是見于皮膚搽傷及煤炭等異物經爆炸所形成的外傷性文身，針對這個問題主要是運用Q開關Nd:YAG激光來治療，病變位置比較深，病變體積較大的皮損可以配合超脈沖CO2激光及手術進行治療。激光治療原理同于色素激光對太田痣等的治療原理。

4、普通外科縫合后遺留的針眼瘢痕的問題：可以采用激光磨削的方式就可以完全解決了針眼的問題，至于中間瘢痕的問題要看情況有沒有必要手術了。對于新鮮的傷口建議盡快進行激光治療以及必要的NA物治療，讓針眼瘢痕消失在萌芽狀態。

CO2激光器在木材雕刻、布匹切割、亞克力雕刻切割等領域也廣泛應用。

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2015-0403