[科普中國(guó)]-二氧化碳激光器

二氧化碳激光器，可稱“隱身人”，因?yàn)樗l(fā)出的激光波長(zhǎng)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(dá)20 千瓦以上。脈沖方式產(chǎn)生波長(zhǎng)10.6 微米的激光也是最強(qiáng)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(jìn)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(zhǎng)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(yùn)用其波長(zhǎng)為10.6μm。

概述因?yàn)檫@是一種非常有效率的激光，作為商業(yè)模型來說其轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10%，所以二氧化碳激光廣泛用于激光切割，焊接，鉆孔和表面處理。作為商業(yè)應(yīng)用激光可達(dá)45千瓦，這是目前最強(qiáng)的物質(zhì)處理激光。1

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(dòng)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（電漿）。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(huì)呈現(xiàn)高能態(tài)（00o1）其表現(xiàn)為不對(duì)稱擺動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)與空心墻碰撞或者自然散發(fā)，這種分子也會(huì)偶然的丟失能量。通過自然散發(fā)這種高能狀態(tài)會(huì)下降到對(duì)稱擺動(dòng)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(zhǎng)10.6μm的光束）。偶然的，這種光子的一種會(huì)沿著光軸的腔向下傳播也將在共鳴鏡里擺動(dòng)。

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?dú)猓话氵€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(dāng)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(zhǎng)為10.6微米附近的中紅外波段；一般較好的管子。一米長(zhǎng)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?yàn)樗哂幸恍┍容^突出的優(yōu)點(diǎn)：

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(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他的氣體激光器，橫向流動(dòng)式的電激勵(lì)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(dá)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(dá)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(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)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(duì)這個(gè)波長(zhǎng)的透過率較高）。除此之外，它也具有輸出光束的光學(xué)質(zhì)量高，相干性好，線寬窄，工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。因此它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)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(dá)、化學(xué)分析，激光誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)，外科手術(shù)等方面。

軍事應(yīng)用應(yīng)用CO2激光相干成像雷達(dá)進(jìn)行機(jī)載反坦克導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)的研究，是1977年由麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室開始的，實(shí)驗(yàn)室于1981年研制成功并進(jìn)行了演示試驗(yàn)。早在20世紀(jì)70年代末，美國(guó)國(guó)防先進(jìn)技術(shù)研究計(jì)劃局（Defence Advanced Research Projects Agency）就決定把CO2激光相干成像雷達(dá)作為第二代巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的主攻方向，現(xiàn)已到了技術(shù)基本成熟階段。DARPA和美國(guó)空軍航空系統(tǒng)分部主持的巡航導(dǎo)彈先進(jìn)制導(dǎo)（CMAG，Cruise Missile Advanced Guidence）預(yù)研計(jì)劃，1977~1989年完成了研究計(jì)劃，并完成了飛行演示實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研制了CO2激光主動(dòng)成像雷達(dá)導(dǎo)引頭工程樣機(jī)。目前CMAG技術(shù)已應(yīng)用在空中發(fā)射的先進(jìn)戰(zhàn)略巡航導(dǎo)彈AGM-129A上，使其目標(biāo)精度由原來的40m提高到3m，提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。美國(guó)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(dá)，于1988年進(jìn)行了樣機(jī)演示，預(yù)計(jì)裝在戰(zhàn)斧（Tomahawk）改型巡航導(dǎo)彈上。

氣體二氧化碳激光器內(nèi)的氣體并非純二氧化碳，通常是以下幾種氣體的混合：

二氧化碳（CO2）：10-20%

氮?dú)猓∟2）：10-20%

氦氣（He）：其余內(nèi)容

具體氣體的配比根據(jù)應(yīng)用目的的不同而有所改變。

應(yīng)用民用因?yàn)槎趸技す馄髂苓_(dá)到的功率非常高，經(jīng)常用來做工業(yè)的切割機(jī)，而低功率的激光器常常用來雕刻。此外，由于水在二氧化碳激光器的發(fā)光頻率極容易揮發(fā)，因此也常常被用來做激光嫩膚2，磨皮等激光手術(shù)。

軍用由于大氣層對(duì)紅外線的阻擋能力很弱，因此常被用來做激光武器。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王偉 - 副教授 - 上海交通大學(xué)