CO氣體激光機(jī)原理

CO2氣體激光機(jī)的原理二氧化碳激光器基本原理二氧化碳激光器效率高，不造成工作介質(zhì)損害，發(fā)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(huán)式；按激勵(lì)方式分電激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)，熱激勵(lì)，光激勵(lì)與核激勵(lì)等。在醫(yī)療中使用的二氧化碳激光器幾乎百分之百是電激勵(lì)。

二氧化碳激光器的工作原理：與其它分子激光器一樣，二氧化碳激光器工作原理其受激發(fā)射過程也較復(fù)雜。分子有三種不同的運(yùn)動(dòng)，即分子里電子的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)決定了分子的電子能態(tài)；二是分子里的原子振動(dòng)，即分子里原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動(dòng)——并決定于分子的振動(dòng)能態(tài)；三是分子轉(zhuǎn)動(dòng)，即分子為一整體在空間連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，分子的這種運(yùn)動(dòng)決定了分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能態(tài)。分子運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜，因而能級(jí)也很復(fù)雜。

二氧化碳分子為線性對稱分子，兩個(gè)氧原子分別在碳原子的兩側(cè)，所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始終運(yùn)動(dòng)著，要繞其平衡位置不停地振動(dòng)。根據(jù)分子振動(dòng)理論，二氧化碳有三種不同的振動(dòng)方式：①二個(gè)氧原子沿分子軸，向相反方向振動(dòng)，即兩個(gè)氧在振動(dòng)中同時(shí)達(dá)到振動(dòng)的最大值和平衡值，而此時(shí)分子中的碳原子靜止不動(dòng)，因而其振動(dòng)被叫做對稱振動(dòng)。②兩個(gè)氧原子在垂直于分子軸的方向振動(dòng)，且振動(dòng)方向相同，而碳原子則向相反的方向垂直于分子軸振動(dòng)。由于三個(gè)原子的振動(dòng)是同步的，又稱為變形振動(dòng)。③三個(gè)原子沿對稱軸振動(dòng)，其中碳原子的振動(dòng)方向與兩個(gè)氧原子相反，又叫反對稱振動(dòng)能。在這三種不同的振動(dòng)方式中，確定了有不同組別的能級(jí)。

二氧化碳激光的激發(fā)過程：二氧化碳激光器中，主要的工作物質(zhì)由二氧化碳，氮?dú)?，氦氣三種氣體組成,一般還有少量的氫或氙氣。其中二氧化碳是產(chǎn)生激光輻射的氣體、氮?dú)饧昂鉃檩o助性氣體。加入其中的氦，可以加速010能級(jí)熱弛預(yù)過程，因此有利于激光能級(jí)100及020的抽空。氮?dú)饧尤胫饕诙趸技す馄髦衅鹉芰總鬟f作用，為二氧化碳激光上能級(jí)粒子數(shù)的積累與大功率高效率的激光輸出起到強(qiáng)有力的作用。

二氧化碳分子激光躍遷能級(jí)圖

二氧化碳激光器的激發(fā)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(shí)，放電管中的混合氣體內(nèi)的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來。這時(shí)受到激發(fā)的氮分子便和二氧化碳分子發(fā)生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給二氧化碳分子，二氧化碳分子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)發(fā)出激光。

二氧化碳激光器的結(jié)構(gòu)二氧化碳激光器結(jié)構(gòu)圖

光學(xué)諧振腔

是激光機(jī)中最關(guān)鍵的部件。常用硬質(zhì)玻璃制成，一般采用層套筒式結(jié)構(gòu)。最里面一層是放電管，第2層為水冷套管，最外一層為儲(chǔ)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(xì)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(yīng)，應(yīng)根據(jù)管長而定。管長的粗一點(diǎn)，管短的細(xì)一點(diǎn)。放電管長度與輸出功率成正比。在一定的長度范圍內(nèi)，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(wěn)定。放電管在兩端都與儲(chǔ)氣管連接，即儲(chǔ)氣管的一端有一小孔與放電管相通，另一端經(jīng)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(chǔ)氣管中循環(huán)流動(dòng)，放電管中的氣體隨時(shí)交換。

光學(xué)諧振腔

二氧化碳激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡用K8光學(xué)玻璃或光學(xué)石英，經(jīng)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(dá)98.8％，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。另一端是用鍺或砷化鎵磨制的部分反射鏡二氧化碳發(fā)出的光為紅外光。所以反射鏡需要應(yīng)用透紅外光的材料，因?yàn)槠胀ü鈱W(xué)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(nèi)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

封閉式二氧化碳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(xù)直流電源激發(fā)。激勵(lì)二氧化碳激光器直流電源原理，直流電壓為把市內(nèi)的交流電壓，用變壓器提升，經(jīng)高壓整流及高壓濾波獲得高壓電加在激光管上。

射頻激勵(lì)CO2激光器模擬控制方法

目前在小功率（低于100W）射頻激勵(lì)的CO2激光器中，包括進(jìn)口的激光器，功率控制大多采用PWM方式，通過頻率及占空比可調(diào)的脈沖信號(hào)控制激光器的輸出功率。如SYNRAD公司J型號(hào)48系列射頻激勵(lì)CO2激光器中，其占空比可調(diào)的機(jī)理是通過安裝在計(jì)算機(jī)ISA卡上的D/A轉(zhuǎn)換卡將占空比轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的0～10V電壓，然后用該模擬電壓控制UC2000輸出脈沖信號(hào)的占空比，頻率調(diào)整機(jī)理是通過手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器，調(diào)整頻率發(fā)生器的諧振頻率。模擬控制原理框圖采取這種方式有兩點(diǎn)不妥：其一，模擬信號(hào)易受干擾，控制精度難以達(dá)到預(yù)期的占空比要求。其二，計(jì)算機(jī)上的ISA卡插槽正逐步被淘汰，因而改用串口、并口或USB接口方式將更具有實(shí)用性。射頻激勵(lì)CO2激光器功率的數(shù)字控制方法

全數(shù)字電路方式產(chǎn)生頻率及占空比可調(diào)的脈沖信號(hào)，可靠性及靈活性將會(huì)有很大提高。全數(shù)字電路方式是指在整個(gè)信號(hào)處理過程中，信號(hào)均以“0”或“1”的不同組合形式出現(xiàn)，信碼只有邏輯低與邏輯高兩種變化狀態(tài)，其抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)隨著微電子工藝的發(fā)展，大規(guī)模現(xiàn)場可編程邏輯器件的容量也越來越大，可編程器件處理數(shù)字信號(hào)的能力得到不斷提高。正因?yàn)榭垢蓴_能力強(qiáng)，信號(hào)處理方便，數(shù)字電路越來越受到人們的青睞。通過全數(shù)字方式產(chǎn)生頻率及占空比可調(diào)的PWM信號(hào)，正是從提高可靠性及靈活性的角度出發(fā)，改變原電路產(chǎn)生PWM信號(hào)的不足之處。數(shù)字控制原理框圖如圖所示。為便于工作人員操作方便，采用由上層計(jì)算機(jī)發(fā)送頻率及脈寬控制指令，然后在PWM控制器中通過單片機(jī)處理上層計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制指令

若采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)其功能，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，單片機(jī)既需調(diào)用串口中斷，也需調(diào)用內(nèi)部定時(shí)器中斷，這樣便造成輸出的脈沖不穩(wěn)定，加之PWM控制的脈沖頻率為5KHz,10KHz,15KHz,20KHz.若脈沖頻率為20KHz，則要求單片機(jī)在50μS內(nèi)完成占空比可調(diào)的任務(wù)，常用的單片機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的，除非用DSP