1. CO2雷射
CO2雷射是在1964年由 Bell 實驗室的Patel首先發現的[1], 他在CO2的放電過程中獲得了波長在10.6μm和9.6μm附近的連續雷射輸出。當時，在玻璃管裡的氣體，通過施加連續輝光放電產生雷射。
Figure 1. CO2 laser tube[2]
圖1. CO2雷射雷射管
2. CO2雷射技術的發展
CO2雷射器的一個重要進展是使用N2和CO2混合氣體作為激活介質。1964年Legay和Sommaire[3]發現使用N2可以使CO2雷射器獲得較高的輸出功率和效率。加入N2氣體後，N2分子和CO2分子發生第二類碰撞時，處於基態的N2分子將其振動能量傳遞給基態的CO2分子。加入N2分子後，雷射的輸出功率從1mW提高到11.9W, 光電裝換效率也提高到3%。CO2雷射器的另一個重要進展是在N2和CO2混合氣體加入He。He的作用是使氣體冷卻和放電中的電子能量分布保持在一個合理的範圍之內，以便更加有效的激發CO2分子。
Figure2. Energy diagram of CO2 laser
圖2.CO2雷射能級圖
雷射器放電過程的冷卻對CO2雷射輸出也有較大影響。1965年Patel等人利用CO2-N2-He混合氣體以6L/s的慢速通過內徑7.7cm的水冷放電管，獲得了106W的平均輸出功率和6.2%轉化效率。
3. CO2雷射的原理
在 CO2雷射器的放電管內充有 CO2、N2、He 等混合氣體（CO2 雷射器具體結構如圖3所示）, 其配比和總氣壓可以在一定範圍內變化(一般比例為 CO2∶ N2∶He。 =1∶ 0. 5∶ 2. 5 , 總氣壓為 1066.58Pa)。 CO2 雷射器是將上述混合氣體放在光振蕩器中, 利用 CO2 分子的振動和轉動能級間的躍遷來產生雷射。利用氣體放電泵浦方法向 CO2 氣體分子注入能量, 使放電管中 CO2分子達到反轉分布狀態。具體物理過程如下:
1) 將直流電壓的兩輸出端分別接到放電管的兩電極上, 當不加電壓或電壓很低時, 兩電極間的氣體完全絕緣, 內阻為無窮大, 沒有電流流過;
2) 隨著電壓的升高, 氣體中開始有帶電粒子移動, 氣體的內阻開始減小, 當電壓達到某一電壓峰值時, 內阻急劇減小, 電流迅速增加、氣體被擊穿;
3) 放電管中的氣體被擊穿並放電後, 電流增長、氣體中載流子增加、雷射放電管的內阻下降，這又進一步引起電流的增加, 這樣經過反覆的進行, 放電管呈現負阻效為了使放電能夠穩定地工作，放電管的供電電路中採取了限流措施在放電管電流一電壓特性曲線的某一值上。
4) 在放電管放電時, 混合氣體中N2分子與電子碰撞， 並獲得的電子能量從而被激發。 而在 N2分子與CO2 分子碰撞時又把它從電子獲得的能量轉移給 CO2分子, 經過多次能量轉換, 使 CO2 分子被激活 , 進而導致雷射的產生，如圖4所示。
Figure3. Details of CO2 laser construction
圖3 CO2雷射構造的細節
Figure4 A test of CO2 laser
圖4.CO2雷射測試
4. CO2雷射的應用
CO2雷射器相比其他類型的雷射器在工業加工領域應用更廣泛，特別是在雷射焊接、雷射切割、雷射打標等方面應用尤為突出。其主要優點有：
(1)在所有氣體雷射器中 CO2雷射器的能量轉換效率最高，橫向流動式的電激勵CO2雷射器輸出功率能達到幾十萬瓦。
(2)CO2雷射器的輸出波段在大氣窗口內，在空氣中傳輸時損耗極小，受環境因素的影響較小，可全天候工作，和其他雷射器輸出雷射的性能相比，CO2雷射器更符合工業應用要求。
(3)在輸出譜線寬度上與其他氣體雷射器輸出相比，CO2雷射器的輸出譜線寬度較寬。
5. CO2雷射器的故障
CO2 雷射器是光、機、電一體化結構 , 其中哪一方面出現異常都會影響其餘方面 , 所以故障現象往往是錯綜複雜的綜合故障的反應。從以下三個方面對 CO2雷射器的故障進行研討。
1) 無雷射輸出
這是 CO2 雷射器在使用中出現頻率最高的故障 , 應從三個方面進行故障分析和檢查。首先檢查高壓供電電路, 因該機的直流高壓電源高達到24kV。利用面板上的開關旋鈕、指示燈及相應的電壓表對故障進行分析判斷。在斷電的情況下測量高壓供電電路是否有斷路，確認高壓變壓器本身是否正常，對負責調整輸出電壓的可控矽及其觸發電路進行測量、檢查，在通電情況下用量程大於30kV的高壓表測量直流高壓電路輸出的電壓數值。其次檢查光路仔細觀察導光臂固定座的中心軸與CO 2 雷射管的中心軸是否重合(應重合)，CO2雷射管的固定卡環是否鬆脫; 雷射管輸出側的平凸鏡位置是否正常， 輸出窗是否清潔。最後檢查雷射管, 如雷射管放電正常, 但無雷射輸出, 可能是雷射管兩端腔片損壞或輸出窗被遮蓋。雷射管有不正常的放電, 無雷射輸出, 可能是雷射管中陽極或陰極損壞, 或管中的工作氣體被雜質氣體所汙染。雷射管無放電, 也無雷射輸出, 則可能是陰極損壞或老化而不能發射電子, 陰極或陽極引線封結處玻璃炸裂或雷射管兩端腔片粘結處漏氣, 空氣進入雷射管, 從而雷射管無法放電。
2) 雷射輸出弱
此類故障的原因甚至比無雷射輸出故障更難分析和檢查, 仍需從直流高供電電路、雷射光路、雷射管本身三個方面進行, 而且在整個過程中更強調指標的定量。檢查電源電壓的數值是否正常，旋動雷射功率微調旋鈕, 看毫安表的數值能否靈敏地連續變化，雷射管的檢查包括外觀結構觀察、光路各環節的正確位置、計算雷射管的累計工作時間(雷射管老化後效率下降 , 輸出變小)。
3) 保護電路故障
保護電路發生故障, 雷射器都停止工作。過流保護電路, 防止雷射管因電路故障引起輝光電電流過大而使電極損壞或電極線密封處炸裂(一旦炸裂, 後果嚴重), 工程技術人員對該保護電路應採取定期的預防性維修, 被動性維修 (即發生故障後才去維修)的方式不可取。
參考:
1. C. K. N. Patel. Selective Excitation Through Vibrational EnergyTransfer and Optical Maser Action in N2-CO2. Phys. Rev. Lett. 13, 617,1964.
2. https://grabcad.com/library/reci-co2-laser-tube-1
3. K.N. Rao. Molecular Spectroscopy: Modern Research. Elsevier, 2012.