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      CO2激光器原理及結構

      作者: 本站 來源: 本站 時間:2016年04月28日
        CO2激光器效率高,不造成工作介質損害,發射出10.6μm波長的不可見激光,是一種比較理想的激光器。按氣體的工作形式可分封閉式及循環式,按激勵方式分電激勵,化學激勵,熱激勵,光激勵與核激勵等。在醫療中使用的CO2激光器幾乎百分之百是電激勵。
        
        CO2激光器的工作原理:與其它分子激光器一樣,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。
        
        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。
        
        CO2激光的激發過程: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。


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        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。
        
        結構:①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。


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        CO2激光器結構圖
        
        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。
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