[科普中国]-二氧化碳激光器

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。二氧化碳激光于1964年首次运用其波长为10.6μm。

概述因为这是一种非常有效率的激光，作为商业模型来说其转换效率达到10%，所以二氧化碳激光广泛用于激光切割，焊接，钻孔和表面处理。作为商业应用激光可达45千瓦，这是目前最强的物质处理激光。1

原理二氧化碳激光是一种分子激光。主要的物质是二氧化碳分子。它可以表现多种能量状态这要视其震动和旋转的形态而定。基本的能量网状见图1。二氧化碳里的混合气体是由于电子释放而造成的低压气体（通常30-50托）形成的等离子（电浆）。如麦克斯韦-波尔兹曼分布定律所说，在等离子里，分子呈现多种兴奋状态。一些会呈现高能态（00o1）其表现为不对称摆动状态。当与空心墙碰撞或者自然散发，这种分子也会偶然的丢失能量。通过自然散发这种高能状态会下降到对称摆动形态(10o0)以及放射出可能传播到任何方向的光子（一种波长10.6μm的光束）。偶然的，这种光子的一种会沿着光轴的腔向下传播也将在共鸣镜里摆动。

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：

第一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。

第二它是利用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。

第三它的输出波段正好是大气窗口（即大气对这个波长的透过率较高）。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。

军事应用应用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。

气体二氧化碳激光器内的气体并非纯二氧化碳，通常是以下几种气体的混合：

二氧化碳（CO2）：10-20%

氮气（N2）：10-20%

氦气（He）：其余内容

具体气体的配比根据应用目的的不同而有所改变。

应用民用因为二氧化碳激光器能达到的功率非常高，经常用来做工业的切割机，而低功率的激光器常常用来雕刻。此外，由于水在二氧化碳激光器的发光频率极容易挥发，因此也常常被用来做激光嫩肤2，磨皮等激光手术。

军用由于大气层对红外线的阻挡能力很弱，因此常被用来做激光武器。

本词条内容贡献者为:

王伟 - 副教授 - 上海交通大学