二氧化碳激光器-課程設計燕山大學題目： 二氧化碳激光器學院〔系： 理學院年級專業： 學 號：教師職稱：燕山大學課程設計〔論文〕任務書〔系：理學院 基教學單位：應用物理系學 學生號 姓名設計二氧化碳激光器題目

專〔班應用物級〕 理設〔1〕閾值電流計〔2〕工作效率技術參數了解激光器的根本構成激光器的產生氣制設〔3〕二氧化碳激光器的特性計要〔4〕了解二氧化碳激光器應用求燕山大學課程設計評審意見表指導教師評語：成績：指導教師：年月 日辯論小組評語：成績：評閱人：年月 日課程設計總成績：年年月日II摘要激光是在有理論預備和生產實踐迫切需要的背景下應運而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛速進展，激光的進展不僅使古老的光學科學和光學技術獲得了生，而且導致整個一門興產業的消滅。激光可使人們有效地利用前所未有的先進方法和手段，去獲得空前的效益和成果，從而促進了生產力的進展。激光器的產生具有劃時代意義。本文主要介紹了CO2

些特點，重點介紹了氣體激光器中的CO2

激光器的相關應用，目前CO2

激光器是用最廣泛的激光器之一，它有著一些格外突出的高功率、高質量等優點。論文首先介紹了應用型CO2

CO激光器在軍事、醫療和工業三個主要領域的應用，最終介紹應用型CO激2 2CO2

激光器的了解和生疏。關鍵詞：激光技術；二氧化碳激光器；根本原理；根本構造；\*ROMAN\*ROMANIIIAbstractLaserisintheoryandpracticeunderthebackgroundofurgentneedemergeasthetimesrequire,itispublished,obtainedthefastdevelopmentofunusual,notonlymakethedevelopmentoflasertheancientopticsandopticaltechnologyacquiredanewlife,butalsocausethewholeanemergingindustry.The laser can make people to effectively utilize the hitherto unknownadvancedmethodsandmeanstoobtaintheunprecedentedbenefitsandoutcomes,therebypromotingthedevelopmentofproductivity.Laserhastheepoch-makingsignificance.ThisdeparturefromtheintroductionofCO2lasertechnology,introducedthebasicsituation,brieflyintroducedsomeofthecharacteristicsoflaserandlasertohighlighttheCO2gaslaserinlaser-relatedapplications,thecurrentCO2laserwasoneofthemostextensivelaser,ithadsomeveryprominenthigh-power,highqualityandsoon.PaperintroducedtheapplicationofCO 2laser-typebasicstructureandworkingprinciple,focusingontheapplicationtypeCO2laserinthemilitary,medicalandindustrialapplicationofthethreemainareas,Finally,appliedresearchprospectsforCO2laserandstatus.ThroughthesepresentationsallowedpeopletodeepentheirknowledgeandunderstandingofCOslasers.Keywords: Lasertechnology；CO2 Laser；Basic Principle；BasicStructure；Application.名目\l“_TOC_250014“摘要 II\l“_TOC_250013“第1章緒論 1\l“_TOC_250012“激光器的產生及進展 1\l“_TOC_250011“二氧化碳激光器的爭論和進展 1\l“_TOC_250010“本文主要爭論內容 2\l“_TOC_250009“第2章激光器及二氧化碳激光器的原理 3\l“_TOC_250008“激光產生的條件 3\l“_TOC_250007“激光器 3\l“_TOC_250006“CO激光器工作原理 5第3章二2化碳激光器的應用 7\l“_TOC_250005“二氧化碳激光器在工業應用 7\l“_TOC_250004“二氧化碳激光器在軍事上應用 7\l“_TOC_250003“二氧化碳激光器在醫學上應用 8\l“_TOC_250002“第4章二氧化碳激光器的前景展望 11\l“_TOC_250001“結論 13\l“_TOC_250000“參考文獻 141第1章緒論激光器的產生及進展1916年愛因斯坦提出了一套全的技術理論‘受激輻射’。這一理論是說在組成物質的原子中，有不同數量的粒子〔電子〕分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發，會從高能級跳到〔躍遷〕到低能級上，這時將會輻射出與激發它的光一樣性質的光，而且在某種狀態下，能消滅一個弱光激發出一個強光的現象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱激光。1958內光燈泡所放射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發出明媚的、始終會聚在一起的強光。依據這一現象，他們提出了“激光原理“，即物質在受到與其分子固有振蕩頻率一樣的能量鼓勵時，都會產生這種不發散的強光--激光。他們為此發表了重要論文。肖洛和湯斯的爭論成果發表之后，各國科學家紛紛提出各種試驗方案，但都未獲成功。1960年515得了波長為0.6943微米的激光，這是人類有史以來獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個將激光引入有用領域的科學家。1960年77日，梅曼研制成功世界上第一臺激光器，梅曼的案是，利用一個高強閃光燈管，來刺激在紅寶石色水晶里的鉻原子，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使其到達比太陽外表還高的溫度。激光是在有理論預備和生產實踐迫切需要的背景下應運而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛速進展，激光的進展不僅使古老的光學科學和光學技術獲得了生，而且導致整個一門興產業的消滅。激光可使人們有效地利用前所未有的先進方法和手段，去獲得空前的效益和成果，從而促進了生產力的進展。二氧化碳激光器的爭論和進展1964PatelCO2

10.4微米和9.4微米CO2

分子的激光器誕生了。它有比較大的功率和比較高的能量轉換效率。它是利用 CO2

分子的振動-轉動能級間的躍遷的，有比較豐富的譜線，在10微米四周有幾十條譜線的激光輸出。其在工業、軍事、醫療、科研等方面得到了廣泛的應用，給我們的實現生活帶了很多便利。1966CO2

激光器誕生了，從今CO2

激光器受到了極大的關注。由于激光技術中氣動技術的引進，CO2

激光器開拓了寬闊的運用前景。伴隨著科學技術的進步，世界各國的激光技術也得到了相應的進展，二氧化碳激光器是目前連續輸出功率較高的一種激光，它進展較早，商業產品較為成熟，被廣泛應用到材料加工、醫療使用、軍事武器、環境量測等各個領域。在激光的進展和應用方面，CO2

激光器的制作和應用較早也較多，早在1970年月末期，就有從國外直接進口CO2

激光器，從事工業加工和醫療等應用。從80年月末期開頭，CO2

激光器被廣泛引進并應用在在材料加工領域。本文主要爭論內容本文主要介紹了CO2

3個方面即軍事醫學和科技介紹了其應用，最終總結了CO2景。

激光器的爭論現狀和進展前第2激光產生的條件激光三要素:工作介質、鼓勵源、諧振腔。1激光的產生必需選擇適宜的工作介質，可以是氣體、液體、固體或半導體。關鍵是能在這種介質中實現粒子數反轉，以獲得產生激光的必要條件。明顯，亞穩態能級的存在，對實現粒子數反轉是格外有利的。2、鼓勵源為了使工作介質中消滅粒子數反轉，必需用肯定的方法去鼓勵原子體系，使處于上能級的粒子數增加。一般可以用氣體放電的方法來利用具有動能的電子去激發介質原子，稱為電鼓勵；也可用脈沖光源來照耀工作介質，稱為光鼓勵；還有熱鼓勵、化學鼓勵等。各種鼓勵方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了不斷得到激光輸出，必需不斷地“泵浦”以維持處于上能級的粒子數比下能級多。3、諧振腔有了適宜的工作物質和鼓勵源后，可實現粒子數反轉，但這樣產生的受激輻射強度很弱，無法實際應用。還需要將輻射的光進展放大，于是人們就想到了用光學諧振腔進展放大。所謂光學諧振腔，實際是在激光器兩端，平行裝上兩塊反射率很高的鏡片，一塊為全反射鏡片，一塊為局部反射、少量透射鏡片。全反射鏡片的作用是將入射的光全部按原路徑反射回去，局部反射鏡片的作用是將能量未到達肯定限度的局部光子按原路徑反射回去，而達到肯定能量限度的光子則透射而出。這樣，透射而出的這局部光子就成為我們需要的，經過放大了的激光；而被反射回工作介質的光，則連續誘發一輪的受激輻射，光將漸漸被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反響，雪崩似的獲得放大，產生猛烈的激光，直到能量到達肯定的限度，從局部反射鏡片中輸出。激光器1954年制成了第一臺微波量子放大器，1958年A.L.肖洛和C.H.湯斯把微波量子放大器原理推廣應用到光頻范圍，并指出了產生激光的方法。1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺紅寶石激光器。1961A.賈文等人制成了氦氖激光器。1962R.N.霍耳等人創制了砷化鎵半導體激光器。以后，激光器的種類就越來越多。少的條件是粒子數反轉和增益大過損耗，所以裝置中必不行少的組成局部有鼓勵〔或抽運〕源、具有亞穩態能級的工作介質兩個局部。鼓勵是工作介質吸取外來能量后激發到激發態，為實現并維持粒子數反轉制造條件。鼓勵方式有光學鼓勵、電鼓勵、化學鼓勵和核能鼓勵等。工作介質具有亞穩能級是使受激輻射占主導地位，從而實現光放大。激光器中常見的組成局部還有諧振腔，但諧振腔〔見光學諧振腔〕并非必不行少的組成局部，諧振腔可使腔內的光子有全都的頻率、相位和運行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地縮短工作物質的長度，還能通過轉變諧振腔長度來調整所產生激光的模式〔即選模，所以一般激光器都具有諧振腔[4]。激光器的種類是很多的。下面，將分別從激光工作物質、鼓勵方式、運轉方式等幾個方面進展分類介紹[5]。按工作物質分類〔晶體和玻璃〕激光器；②氣體激光器，而進一步區分為原子氣體激光器、離子氣體激光器、分子氣體激光器、準分子氣體激光器等；③液體激光器，這類激光器所承受的工作物質主要包括兩類，一類是有機熒光染料溶液，另一類是含有稀土金屬離子的無機化合物溶液；④半導體激光器；⑤自由電子激光器。按鼓勵方式分類①光泵式激光器；②電鼓勵式激光器；③化學激光器；④核泵浦激光器。(3)按運轉方式分類式和工作狀態亦相應有所不同，從而可區分為以下幾種主要的類型。①連續激光器；②單次脈沖激光器；③重復脈沖激光器；④調激光器；⑤鎖模激光器；⑥單模和穩頻激光器；⑦可調諧激光器。CO激光器工作原理21CO2

激光器的產生激光的分子能級圖。1中可以分析得到CO2

激光的激發過程，主要的工作物質由CO，氮2氣，氦氣三種氣體組成。其中CO2

是產生激光輻射的氣體、氮氣及氦氣為關心性氣體。參加的氦有兩個作用：一個是可以加速010能級熱弛預過程，因此有利于激光能級100及020的抽空；另一個是實現有效的傳熱。氮氣的參加主要在CO2

激光器中起能量傳遞作用，為CO2

激光上能級粒子數的積存與大功率高效率的激光輸出起到強有力的作用。泵浦承受連續直流電源激發。它的直流電源原理：直流電壓為把接入的[7]。1CO2

分子激光躍遷能級圖CO210.6μm分為封閉式及循環式，按鼓勵方式分電鼓勵，化學鼓勵，熱鼓勵，光鼓勵與核鼓勵等。在醫療中使用的CO2

激光器幾乎百分之百是電鼓勵[8]。COCO2

激光器工作原理其受激放射過程也較簡單。分子有三種不同的運動，即分子里電子的運動，其運動打算了分子的電子能態；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——并打算于分子的振動能態；三是分子轉510動，即分子為一整體在空間連續地旋轉，分子的這種運動打算了分子的轉動能態。分子運動極其簡單，因此能級也很簡單。COmAmA2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CO2

分子，CO2

分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數反轉從而產生激光。第3二氧化碳激光器在工業應用CO2

激光器切割技術激光切割技術廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大削減加工時間，降低加工本錢，提高工件質量。激光切割是應用激光聚焦后產生的高功率密度能量來實現的。與傳統的板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割質量、高的切割速度、高的柔性(可隨便切割任意外形)、廣泛的材料適應性等優點。激光切割技術分為金屬切割是CO2

上考慮，一般用大功率激光切割機按加工站形式供給代工，隨著國內中功率CO激光器的成熟，各個鈑金廠會自購激光切割機，需求會大增。非金屬切割2應用于刀模板切割，木材和高密度木質纖維板切割，塑膠切割[14]。CO2

激光器的焊接技術激光焊接是一種材料連接方法，主要是金屬材料之間連接的技術。它和傳統的焊接技術一樣，通過將連接區的局部材料熔化而將兩個零件或部件連接起來。由于激光能量高度集中，加熱、冷卻的過程及其快速，一些一般焊接技術難以加工的如脆性大、硬度高或松軟性強的材料，用激光很簡潔實現。另一方面，在激光焊接過程中無機械接觸，易保證焊接部位不因受力而發生變形，通過熔化最小數量的物質實現合金連接，從而大大提高焊接質量，提高生產率。激光焊的焊縫深度比大，而焊縫熱影響區微小，質量好。CO2

激光器適合焊接1mm以下厚度的金屬薄板,如汽車部件，發電機、刮水機、啟動機、舉窗機等常常使用到的層疊狀的硅鋼片的固定,過去承受打孔銷釘固定，現在可以激光焊接。電池焊接，鋰電池的生產工序如極耳焊接、安全閥焊接、負極焊接、外殼密封焊接使用激光焊接為最正確工藝，需要配備的激光焊接機的品種和數量格外巨大。周密儀表零件的激光焊接需求也在增大，如不銹鋼壓力膜片的焊接、航空儀表外殼的焊接。二氧化碳激光器在軍事上應用激光技術在軍事上應用中，在這近幾年里，CO2

激光器在這方面得到了穩步的進展。激光武器作為一種概念武器,與傳統常規武器相比,以其速度快,方向性好,能量密度高,作戰消耗比高等優點,成為世紀武器中的寵.高能激光武器在軍事應用的方面扮演著越來越重要的角色,代表著將來武器的進展方向,將徹底轉變目前的戰場環境和作戰方式,使將來戰斗的形態發生了深刻變革.高能氣動CO2

激光器輸出功率大,曾被各國設計用于研制高能激光武器[11]。激光防范或稱激光反導的根本特征是：用由光速的高能激光去摧毀聲速運行的或其它飛行固體。我們可以說這方面是CO2

激光器的天下，因為它有一些突出的優點。目前在陸軍中承受的陸基小型激光反導系統、空軍承受的機載激光反將來的CO2

能激光器是將來戰斗系統的重要組成局部，將在反監視、主動保護、防空和去除暴露地雷等方面做出奉獻。高便攜性將使單兵作戰的力量大極大的提高，充分發揮每一個兵的作用，固然目前這個想法還是僅僅處于理論階段。目前各國的激光武器都朝著這個方向努力，固然這個實導系統和海軍承受的艦載CO2能、便攜式、殺傷力強進展。

CO2

激光武器將向著高功二氧化碳激光器在醫學上應用近20年來激光技術在醫療有著飛速的進步，很多疾病和先天性的疾病都可以被成功地根治。CO激光手術承受的是自由光束CO2

激光器，通常都是承受光束與皮膚組織非接觸的方式，比常規手術供給了更多便利的條件，包括削減機械損傷，增加四周組織被保護等，并且更易保持無菌手術，與其他激光手術相比，CO2激光手術刀具有切割力量強，組織吸取系數大，組織穿透濃度較小〔約0.23mm，手術時不易傷及動脈血管等，使得連續CO2術臨床治療。

激光被大量用于外科手但是連續CO2

在臨床上對組織的損傷屬非選擇性的，手術治療后常常伴隨著皮膚疤痕等副作用。對病灶進展的切割或氣化時也有不同程度地損傷正常組織，因而不能適用于有較高要求的手術治療，這種狀況嚴峻地限制了CO2激光在醫療中的進一步應用。1983AdersonParrish提出了“選擇性光熱作用”原理，以進展激光的無損傷治療。這一原理的要點是：當激光通過正常組織到達病變靶組織時，應使靶組織對激光的吸取系數大于正常組織，其反差愈大愈好，以便在激光破壞靶組織時，不傷及正常組織；靶組織的熱弛豫時應大于激光的脈沖寬度或作用時間，使靶組織在激光加熱過程中，來不及將熱量向四周正常組織集中，以保護四周正常組織。基于“選擇性光熱作用”原理，90年月后消滅了以超脈沖CO2

激光治療機為代表的高能量脈沖醫療設備，并得到成功的應用，使得要求較高的應用領域得到突破性進展，特別是激光美容方面獨占鰲頭。進展前景格外寬闊。CO2

激光器承受先進的脈沖技術和PWM電源掌握技術，不僅能在極短時間內提高了激光輸出的峰值功率，向靶組織供給足夠的能量，而且可以通過PWM信號準確掌握每個脈沖的寬度和脈沖重復頻率。通過計算靶組織的熱弛豫時間，掌握脈沖寬度可實現最正確手術效果。如毛細血管的熱弛豫時間約為10μs，要求脈寬小于10μs；皮膚組織的熱弛豫時間大致為1ms，要求做皮膚磨削除皺的激光儀的脈寬小于1ms10余年前的激光儀的最大區分正是在于對脈寬的準確掌握，這是現代激光治療安全性的根本保證。CO2

激光治療機不但有連續CO2

激光手術刀的共同特點，還具有本身的優點，可輸出高能量高重復頻率的的脈沖激光，可滿足“激光選擇性光熱作用”的操作要求，可以快速有效地去除病變靶組織，最大限度地削減激光對正常組織的損傷，大大提高了醫學臨床的準確性和安全性。臨床實踐證明，在進展同一種手術時脈沖激光所使用的激光功率要比連續激光低得多，因而由激光手術引起的組織反響較輕，對四周組織的損傷小，也縮短時間，治療時產生煙霧少，視野清楚。CO2

〔Otorhinolaryngology科醫學〔Gynecology，神經外科〔Neurosurgery，一般手術〔Surgery，美容學〔Aesthetics。微橋點陣治療〔BridgeTherapy〕出者Lumenis醫療激光公司已經爭論并生產了各種 CO2

激光治療儀，像NovaPulseSeries可用于耳鼻喉科和美容學，其他還有波蘭的CTL公司生產MODELCTL1401是一款手術儀，日本NANOLASERGL－Ⅲ可用于口腔科的CO激光治療儀，目前國內已有5個國家級激光技術爭論中心，十幾個產品研2發機構。醫療激光設備生產企業主要集中在上海，武漢，長春，北京，成都等城市或是周邊地區。例如擁有CO2

激光治療技術的上海激光爭論所，上海嘉〔主次。中國的激光醫療技術與西方相比水平并不低，且中國有13億人口，故激光醫療器械的潛在需求巨大，今后10年，我國激光醫療器械市場將迎來2CO22CO2激光相干成像雷達進展機載反坦克的準確制導的爭論，是1977年由麻省理工學院的林肯試驗室開頭的，試驗室于1981年研制成功并進展了演示試驗。早在20世紀70年月末，美國國防先進技術爭論打算局〔DefenceAdvancedResearchProjectsAgency〕就決定把CO2激光相干成像雷達作為其次代巡航制導系統的主攻方向，現已到了技術根本成熟階段。DARPA和美國空軍航空系統分部主持的巡航先進制導〔CMAGCruiseMissileAdvancedGuidence〕預研打算，1977~1989年完成了爭論打算，并完成了飛行演示試驗，進一步研制了CO2激光主動成像雷達導引頭工程樣機。目前CMAG射的先進戰略巡航AGM-129A上，使其目標精度由原來的40m提高到3m，提高一個數量級。美國前麥·道公司為空軍研制的一種全天候CO2激光相干成像雷達，于1988〔Tomahawk〕改型巡航上。第4二氧化碳激光器的前景展望CO2

激光器將朝著以下幾個方向進展：高功率橫流CO2高功率橫流CO2

激光器。激光器，用于激光加工和熱處理，激光器的整機呈一體化的箱體。箱體的上箱體中置有一體化的放電室、熱交換器、風機系統、進出口導流器以及光學諧振腔，箱體的下箱體中置有激光電源、充放氣系統、真空泵、鎮流電阻箱和掌握盒。與已有技術相比具有構造緊湊、安裝調試和維修便利、激光器的工作效率高，整機的體積可以小型化的特點。它主要應用于金剛石工具、汽車齒輪、汽車安全氣囊氣體發生器等焊接中的應用，激光外表淬火與熔覆工藝及其在鋼鐵軋輥外表熔凝淬火、石油化工零件外表修復等方面的特別應用。聲光調QCO

激光器：為滿足激光測距、環境探測、空間通訊及激光2與物質相互作用機理爭論等領域應用要求，研制了聲光調QC0激2光器。針對影響聲光調QCO：激光器輸出的各種因素，利用調Q脈沖激光器速2率方程對該激光器輸出的主要技術參數進展了理論分析和計算，提出了聲光調QCO

：激光器優化設計的方法，并進展了驗證明驗。激光器脈沖重復頻率2為lHz～50kHz，在lkHz180ns，峰值功率為4062W，與理論計算根本全都。結果證明：通過聲光晶體(AO)的優選及諧振腔的合理設計。可實現小型CO激光器的高重頻、窄脈寬，頂峰值功率輸2TTL信號掌握實現此類激光器的波長調諧和編碼輸出。緊湊型長壽命射頻鼓勵波導CO激光器:為了使CO激光器在工業加工2 2及軍事上有更廣泛的應用,承受鋁合金拉制型材作為激光器殼體、盤裝電感代替傳統線繞電感的構造以及全金屬封接工藝等,研制出一種緊湊型長壽命射頻鼓勵波導CO激光器.可連續輸出或在不高于20kHz調制頻率下脈沖輸出,最2大輸出功率30W,實測工作壽命超過1500h,存儲壽命超過1.5a.結果說明,這種激