二氧化碳激光器的原理

二氧化碳激光是一種分子激光。主要的物質(zhì)是二氧化碳分子。它可以表現(xiàn)多種能量狀態(tài)這要視其震動和旋轉(zhuǎn)的形態(tài)而定?；镜哪芰烤W(wǎng)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。如麥克斯韋-波爾茲曼分布定律所說，在等離子里，分子呈現(xiàn)多種興奮狀態(tài)。一些會呈現(xiàn)高能態(tài)（00o1）其表現(xiàn)為不對稱擺動狀態(tài)。當與空心墻碰撞或者自然散發(fā)，這種分子也會偶然的丟失能量。通過自然散發(fā)這種高能狀態(tài)會下降到對稱擺動形態(tài)（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。二氧化碳激光器是以CO2氣體作為工作物質(zhì)的氣體激光器。放電管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2氣體和其他輔助氣體（主要是氦氣和氮氣，一般還有少量的氫或氙氣）；電極一般是鎳制空心圓筒；諧振腔的一端是鍍金的全反射鏡，另一端是用鍺或砷化鎵磨制的部分反射鏡。

當在電極上加高電壓（一般是直流的或低頻交流的），放電管中產(chǎn)生輝光放電，鍺鏡一端就有激光輸出，其波長為10.6微米附近的中紅外波段；一般較好的管子。一米長左右的放電區(qū)可得到連續(xù)輸出功率40～60瓦。CO2激光器是一種比較重要的氣體激光器。這是因為它具有一些比較突出的優(yōu)點：

第一：它有比較大的功率和比較高的能量轉(zhuǎn)換效率。一般的閉管CO2激光器可有幾十瓦的連續(xù)輸出功率，這遠遠超過了其他的氣體激光器，橫向流動式的電激勵CO2激光器則可有幾十萬瓦的連續(xù)輸出。此外橫向大氣壓CO2激光器，從脈沖輸出的能量和功率上也都達到了較高水平，可與固體激光器媲美。CO2激光器的能量轉(zhuǎn)換效率可達30～40%，這也超過了一般的氣體激光器。

第二：它是利用CO2分子的振動-轉(zhuǎn)動能級間的躍遷的，有比較豐富的譜線，在10微米附近有幾十條譜線的激光輸出。近年來發(fā)現(xiàn)的高氣壓CO2激光器，甚至可做到從9～10微米間連續(xù)可調(diào)諧的輸出。

第三：它的輸出波段正好是大氣窗口（即大氣對這個波長的透過率較高）。除此之外，它也具有輸出光束的光學質(zhì)量高，相干性好，線寬窄，工作穩(wěn)定等優(yōu)點。因此它在國民經(jīng)濟和國防上都有許多應(yīng)用，如應(yīng)用于加工（焊接、切割、打孔等），通訊、雷達、化學分析，激光誘發(fā)化學反應(yīng)，外科手術(shù)等方面。

二氧化碳激光器的工作波長

二氧化碳激光器，可稱“隱身人”，因為它發(fā)出的激光波長為10.6 微米，“身”處紅外區(qū)，肉眼不能覺察，它的工作方式有連續(xù)、脈沖兩種。

連續(xù)方式產(chǎn)生的激光功率可達20 千瓦以上。脈沖方式產(chǎn)生波長10.6 微米的激光也是最強大的一種激光。

人們已用它來“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出現(xiàn)是激光發(fā)展中的重大進展，也是光武器和核聚變研究中的重大成果。

最普通的二氧化碳激光器是一支長1 米左右的放電管。它產(chǎn)生的激光是看不見的，在磚上足以把磚頭燒到發(fā)出耀眼的白光。二氧化碳激光于1964年首次運用其波長為10.6μm。