二氧化碳激光器(经典)

二氧化碳激光器

一.CO2激光器简介

二氧化碳激光器，可称“隐身人”，因为它发出的激光波长为10.6微米，“身”处红外区，肉眼不能觉察，它的工作方式有连续、脉冲两种。连续方式产生的激光功率可达20千瓦以上。脉冲方式产生波长10.6微米的激光也是最强大的一种激光。人们已用它来“打”出原子核中的中子。二氧化碳激光器的出现是激光发展中的重大进展，也是光武器和核聚变研究中的重大成果。最普通的二氧化碳激光器是一支长1米左右的放电管。它产生的激光是看不见的，在砖上足以把砖头烧到发出耀眼的白光。

二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。放电管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2气体和其他辅助气体（主要是氦气和氮气，一般还有少量的氢或氙气）；电极一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。当在电极上加高电压（一般是直流的或低频交流的），放电管中产生辉光放电，锗镜一端就有激光输出，其波长为10.6微米附近的中红外波段；一般较好的管子。一米长左右的放电区可得到连续输出功率40～60瓦。CO2激光器是一种比较重要的气体激光器。这是因为它具有一些比较突出的优点：

1.它有比较大的功率和比较高的能量转换效率。一般的闭管CO2激光器可有几十瓦的连续输出功率，这远远超过了其他的气体激光器，横向流动式的电激励CO2激光器则可有几十万瓦的连续输出。此外横向大气压CO2激光器，从脉冲输出的能量和功率上也都达到了较高水平，可与固体激光器媲美。CO2激光器的能量转换效率可达30～40%，这也超过了一般的气体激光器。

2.它是利用CO2分子的振动-转动能级间的跃迁的，有比较丰富的谱线，在10微米附近有几十条谱线的激光输出。近年来发现的高气压CO2激光器，甚至可做到从9～10微米间连续可调谐的输出。

3.它的输出波段正好是大气窗口（即大气对这个波长的透明度较高）。除此之外，它也具有输出光束的光学质量高，相干性好，线宽窄，工作稳定等优点。因此它在国民经济和国防上都有许多应用，如应用于加工（焊接、切割、打孔等），通讯、雷达、化学分析，激光诱发化学反应，外科手术等方面。

二.大功率横向激励二氧化碳激光器的应用

主要用于激光焊接、激光切割、激光热处理等。在汽车工业、钢铁工业、造船工业、航空工业、机械工业、冶金工业、金属加工和电机制造等领域广泛应用。

应用CO2激光相干成像雷达进行机载反坦克导弹的精确制导的研究，是1977年由麻省理工学院的林肯实验室开始的，实验室

于1981年研制成功并进行了演示试验。早在20世纪70年代末，美国国防先进技术研究计划局（Defence Advanced Research Projects Agency）就决定把CO2激光相干成像雷达作为第二代巡航导弹制导系统的主攻方向，现已到了技术基本成熟阶段。DARPA和美国空军航空系统分部主持的巡航导弹先进制导（CMAG，Cruise Missile Advanced Guidence）预研计划，1977~1989年完成了研究计划，并完成了飞行演示实验，进一步研制了CO2激光主动成像雷达导引头工程样机。目前CMAG技术已应用在空中发射的先进战略巡航导弹AGM-129A上，使其目标精度由原来的40m提高到3m，提高一个数量级。美国前麦·道公司为空军研制的一种全天候CO2激光相干成像雷达，于1988年进行了样机演示，预计装在战斧（Tomahawk）改型巡航导弹上。

本技术重点解决激光器不稳定关键因素，克服国内激光器存在的缺点。科学的电极结构设计及电极冷却器设计使激光器电极功能多、性能佳，具有连续体积主放电、连续体积预电离、连续体积脱除氮的氧化物功能。在放电区域内，激光器放电均匀稳定，放电光束质量好，接近射频激励，等离子体均匀稳定，电场强度、电流密度、气体流场、信号增益分布均匀，激光器稳定性大幅度提高，光束质量极大地改善，激光器寿命长，适合大极间距离、大面积、高气压均匀放电，可实现圆形光斑输出，满足工业激光精加工要求，并且体积预电离、体积脱除氮的氧化物功能，在国内处于领先水平。采用高频正弦交流信号激励，馈送电工率大、注入功率密度大、激光电极及工作气体冷却效果

佳，激光器成本、技术要求比射频激励低的多，便于普及和推广。