第3章_二氧化碳激光器

上升，同时还可以使激光下能级减少，提高激光器
的效率。
CO2激光器结构图
• CO2激光器是光、机、电一体化结 构，其中哪一方面出现异常都会影响 其余方面，所以故障现象往往是错综 复杂的综合故障的反应。从以下三个 方面对CO2激光器的故障进行研讨。
• 无激光输出
•
这是CO2激光器在使用中出现频率最高的故障，
• 激光输出弱(强度大大低于正常值)
•
此类故障的原因甚至比无激光输出故障更
难分析和检查，仍需从直流高供电电路、激光
光路、激光管本身三个方面进行，而且在整个
过程中更强调指标的定量。检查电源电压的数
源自文库
值是否正常；旋动激光功率微调旋钮，看毫安
表的数值能否灵敏地连续变化(在激光功率选择 开关处于不同位置时分别进行)；激光管的检查
•
按照气体冷却方法的不同可将高功率
CO2激光器分成扩散冷却和流动冷却两大
类，流动冷却又分为轴向流动、横向流动
及螺旋流动等多种．
• 图2-1 准封离CO2激光器结构示意图
• 较高功率的准封离型激光器都附带一个真空排气充气系统，用来定期抽掉腔内的变质气体，充以新 鲜 气 体 而 重 新 使 用 ． 图 2-2 为 工 业 用 的 准 封 离 型 CO2激光器，此种类型的CO2激光器的工作气体 不流动，直流自持放电产生的热量，靠玻璃管或石
包括外观结构观察、光路各环节的正确位置、
计算激光管的累计工作时间(激光管老化后效率 下降，输出变小)。
• .保护电路故障
•
一般有四种保护电路，哪一种发生故障，激光器都停
止工作。
•
过流保护电路，防止激光管因电路故障引起辉光放电
电流过大而使电极损坏或电极线密封处炸裂(一旦炸裂，后
果严重)，工程技术人员对该保护电路应采取定期的预防性
在以上三种激发途径中,共振转移的几率最大, 作用也最为显著。
C02分子激光跃迁下能级的抽空主要依靠气 体分子间的碰撞。
图(5-13) 与产生激光有关的CO2分子能级图
一旦实现了(0001)与 (1000)、 (0200) 之间的粒子数反转，即可通过受激辐射，产 生: 0001→1000跃迁产生10.6um波长的激 光光0001→0200跃迁产生9.6um波长的激 光。
C02(0000)+N2(v=1)→C02(0001)+N2(v=0)
由于C02分子0001能级与N2分子v=1能级十分接近,能量转移十分迅速。此外,N2分子的 v=2~4能级与C02分子0002~0004也十分接近,相互间也能发生共振转移,处于 0002~0004的C02分子与基态C02分子碰撞可将它激励至0001能级。
氦气，氙气和氢气等。由于这种激光 器能量转换效率高达25%。故常做成 高功率输出的激光器。CO2激光器的 波长为10.6μm，是不可见的红外光，
与生物组织作用时，几乎全被生物组 织200μm内的表层吸收，稳定性较好， 医学上应用广泛。
• 在CO2激光器的放电管内充有CO2、N2、 He等混合气体，其配比和总气压可以在一 定范围内变化(一般是：CO2：N2：He＝ 1:0.5:2.5总气压为1066.58Pa)。任何分子都
• 电源锁开关的保护，为防止非操作和维修 人员对机器通电。故障往往由锁开关本身 损坏引起，断电情况不用万用表测量即可 判断其通、断是否正常。
• CO2 气 体 激 光 器 是 在 φ(He)=80% 、 φ(N2)=15%、φ(CO2)=5%的混合气体中进 行放电，利用电子的碰撞激发工作物质， 从而形成粒子数反转的分子激光器．
实验指出：随着管径增大，最佳放电电流也增大。 例如：管径为 20～30mm 时，最佳放电电流为30～50mA
管径为50～90mm 时，最佳放电电流为120～150mA
(2) 温度效应
CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40％，这就 是说，将有60％以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气 体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发， 这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展 宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2 分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。
图2-3 横流CO2激光器
• 此种类型的激光器，单位有效谐振 腔长度的输出激光功率达每米10kW， 商 用 器 件 的 最 大 功 率 可 达 25kW ． 这
种激光器的缺点是：光束质量较差，
在好的情况下可以得到低阶模输出，
否则为多模输出．横流激光器广泛应
用于材料的表面改性加工领 域．2．2．1．3快速轴流型CO2激光 器
• 轴向流动型激光器指的是激光工作气体沿 放电管轴向流动实现冷却，气流方向同电 场方向和激光方向一致．轴流型激光器包 括慢速轴流(气流速度在50m／s左右)和快 速轴流(气流速度大于100m／s，甚至可达 亚音速)．慢轴流是早期产品，由于其结构 复杂，输出功率低，未继续发展．
• 图2-4为快轴流激光器的典型结构，主要 由细放电管、谐振腔(后球面镜、输出窗)、 高压直流放电系统、高速风机(罗茨泵)、热 交换器及气流管道等部分构成．
图(5-13) 与产生激光有关的CO2分子能级图
C02(0000)+C02(000n)→C02(0001)+C02(0 00n-1)
3.共振转移 由于N2分子(v=0)能级和电子碰撞后跃迁到v=1的振动能级。这是一个寿命较长的亚 稳态能级，因而可积累较多的N2分子，基态CO2分子与亚稳态N2分子发生非弹性碰撞并 跃迁到激光上能级。这一过程可表示为
图2-4 快轴流CO2激光器
一、整体机构
轴快流CO2激光器气流方向、放电方向和激光束输出方向一致，分 为直流放电激励和射频放电激励两种。
轴快流CO2激光器整机组成
第3章 二氧化碳激光器
5.2.2 二氧化碳激光器
C02激光器的主要特点是输出功率大,能量转换效率高,输出波长(10.6um) ，广泛用 于激光加工、医疗、大气通信及其他军事应用。
C02激光器以C02、N2和He的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在C02分子的电子 基态的两个振动-转动能级之间。N2的作用是提高激光上能级的激励效率,则有助于激光下 能级的抽空。
• CO2激光器效率高，不造成工作介质 损害，发射出10.6μm波长的不可见激 光，是一种比较理想的激光器。按气 体的工作形式可分封闭式及循环式， 按激励方式分电激励，化学激励，热 激励，光激励与核激励等。在医疗中 使用的CO2激光器几乎百分之百是电 激励。
CO2分子激光跃迁能级图
• CO2激光器是气体分子激光器，工作 物质是CO2气体，辅助气体有氮气，
应从三个方面进行故障分析和检查。首先检查高压
供电电路，因该机的直流高压电源高达到24kV。
利用面板上的开关旋钮、指示灯及相应的电压表对
故障进行分析判断；在断电的情况下测量高压供电
电路是否有断路；确认高压变压器本身是否正常；
对负责调整输出电压的可控硅及其触发电路进行测
量、检查；在通电情况下用量程大于30kV的高压
由于以上跃迁具有同一上能级,而且 0001→1000跃迁的几率大得多,所以C02激光 器通常只输出10.6μm激光。若要得到 9.6um的激光振荡,则必须在谐振腔中放置波 长选择元件抑制10.6um激光振荡。
三、 CO2激光器的输出特性 (1) 放电特性
相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激 光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有 关。
维修，被动性维修(即发生故障后才去维修)的方式不可取。
•
断水保护电路，CO2激光器工作时会产生大量热量，
循环冷却水必须对激光管降温，水路不通时，激光管的直
流高压被切断。加压泵工作不正常和水位开关接触不良是
此类故障的主要原因。断水保护电路的检查是经常性的工
作，不容忽视。
• 安全保护电路，主要由机柜上的门开关组 成，为的是保证操作者和患者的安全。因 机内有高达24kV的高压。故障原因大多是 门开关处接触不良或门装的位置不正。
图2-2 准封离型CO2激光器示意图
• 横向流动型CO2激光器
• 横流激光器是指工作气体沿着与光轴垂 直的方向快速流过放电区以维持腔内较低 气体温度的一种高功率激光器．图2-3为横 流激光器的结构示意图，它通常由密封箱 体(钢壳)、谐振腔(输出镜、拆叠镜、全反 镜)、风机、热交换器和放电电极(阳极、阴 极)等部分组成．
C02激光器中,通过以下三个过程将C02分 子激发到0001能级
1.直接电子碰撞 电子与基态(0000)C02分子碰撞使其激发 到激光上能级。这一过程可表示为
C02(0000)+e →C02(0001)+e
2.级联跃迁 电子与基态CO2分子碰撞使其跃迁到000n能 级,基态C02分子与高能级C02分子碰撞后跃迁 到激光上能级,此过程可表示为
表测量直流高压电路输出的电压数值。
• 根据调查统计，直流高压供电电路故障导致 无激光输出的故障占该类故障总数的60%以
上。其次检查光路仔细观察导光臂固定座的 中心轴与CO2激光管的中心轴是否重合(应重 合)；CO2激光管的固定卡环是否松脱；激光
管输出侧的平凸镜位置是否正常；输出窗是 否清洁。
• 最后检查激光管，如激光管放电正常，但 无激光输出，可能是激光管两端腔片损坏 或输出窗被遮盖；激光管有不正常的放电， 无激光输出，可能是激光管中阳极或阴极 损坏，或管中的工作气体被杂质气体所污 染；激光管无放电，也无激光输出，则可 能是阴极损坏或老化而不能发射电子，阴 极或阳极引线封结处玻璃炸裂或激光管两 端腔片粘结处漏气，空气进入激光管，从 而激光管无法放电。
• CO2激关器就是利用CO2分子的振动和转动能级间 的跃迁来产生激光的，激光波长为10.6μm。利用 气体放电泵浦方法向CO2气体分子注入能量，使放 电管中CO2分子达到反转分布状态：将直流电压的 两输出端分别接到放电管的两电极上，当不加电压 或电压很低时，两电极间的气体完全绝缘，内阻为 无穷大，没有电流流过；随着电压的升高，气体中 开始有带电粒子移动，气体的内阻开始减小，当达 到某一电压值时，内阻急剧减小，电流迅速增加、 气体被击穿、放电开始，这一电压值叫做着火电压； 放电管中的气体被击穿放电后，电流增长、气体中 载流子增加、激光放电管的内阻下降、又进一步引 起电流的增加，
• 这一过程反复进行，放电管呈现负阻效应，为了使 放电能够稳定地工作在放电管电流—电压特性曲线
的某一点上，在放电管的供电电路中采取了限流措
施。放电管放电时，在混合气体中，N2分子与电 子碰撞、获得的电子能量而被激发，而在N2分子 与CO2分子碰撞时又把它从电子获得的能量转移给 CO2分子，使CO2分子被激发，有利于激光的产生； 管中的He气有冷却作用，可以阻止CO2气体温度
英管壁传导散热，故其热导率低，注入功率和激光
功率受工作气体温升的限制，每米激光管的输出功 率在50～70W之间，由于工作气体在放电过程中 有分解，故其输出激光功率随运行时间延长而逐渐
下降．其优点是结构简单，维护方便，造价和运行
费均较低，在加工中若仅需数百瓦级激光功率时， 采用此种准封离型CO2激光器是适宜的．
一、 CO2激光器的结构
图(5-12) 封离式CO2激光器结构示意图
图(5-12)是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜 放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。
二、 CO2激光器的激发过程 CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图(5-13)所示。
有三种不同的运动形式：一是分子里的电
子运动，决定着电子能态；二是分子里的
原子振动，即原子围绕其平衡位置不停地
作周期性振动，这种运动决定了分子的振
动能态；三是分子的转动，决定着分子的 转动能态。
• CO2激光器的工作原理：与其它分子激光 器一样，CO2激光器工作原理其受激发射 过程也较复杂。分子有三种不同的运动， 即分子里电子的运动，其运动决定了分子 的电子能态；二是分子里的原子振动，即 分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期 性振动——并决定于分子的振动能态；三 是分子转动，即分子为一整体在空间连续 地旋转，分子的这种运动决定了分子的转 动能态。分子运动极其复杂，因而能级也 很复杂。