教程之三1二氧化碳激光器Word下载.docx
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当光线入射到两种不同折射率介质的界面时，假定是镜面反射，镜面的粗糙度小于光波波长的平方根，光线将发生折射和反射，如图2。
图1反射
如果镜面的表面粗糙度相当于波长时，入射角和反射角就是随机的，将出现“散射”或漫反射，如图3。
图2散射
大多数镜面的表面都是漫反射表面和镜面混合的。
因为并不是理想的镜面，根据：
可以计算功率被反射的情况。
下表给出几种红外半导体材料的性能：
材料
硒化锌
（ZnSe）
砷化镓
（GaAs）
锗
（Ge）
碲化镉
（CdTe）
硫化锌
（ZnS）
折射率（n）
2.4
3.3
4.0
2.7
2.2
吸收系数（cm-1）
≤0.0005
≤0.01
≤0.03
≤0.0018
≤0.2
热传导率（W/cm·
℃）
0.18
0.48
0.59
0.062
0.167
比热（J/g/℃）
0.356
0.325
0.31
0.21
0.47
线性膨胀系数（×
10-6/℃）
7.57
5.7
5.9
6.8
密度（g/cm3）
5.27
5.37
5.32
5.85
4.08
努普硬度（kg/mm2）
105~120
750
690
45
210~240
例如：
激光束从空气中入射到硒化锌表面，反射率
R=（1-2.4）2/（1+2.4）2=0.17
说明功率有17%被反射，激光切割的聚焦透镜是不允许有这么高的反射率的。
因此，在聚焦透镜的两个表面针对激光的某一波长镀有增透膜，以减少反射损失。
如果n2>
n1,入射光波和反射光波将发生180°
相位差。
折射定律也就是众所周知的斯涅尔（Snell）折射定律，如图4。
n1
n2
n1sinθ=n2sinφ
图3折射
当线偏振光垂直于入射面，反射光线和平行于入射面的折射光线成90°
时，如图5：
图4
θB=tan-1（n2/n1）
这就是布儒斯特（Brewster）定律。
反射定律、折射定律和布儒斯特定律在激光应用中会经常遇到。
近轴光线凹球面反射镜的成像,如图6。
图5
可根据反射定律给出以下方程：
其中S是物距，S’是像距，f是反射镜的焦距，R是反射镜的曲率半径。
在实际激光应用中，大多数采用简单的薄透镜聚焦，如图7。
图6
图7
这里S、S’和f与上式相同，其中n是折射率，R1是透镜左边的曲率半径，R2是透镜右边的曲率半径。
对于平凸透镜来说，R2无穷大，那么
f=R/（n─1）
CO2激光加工设备的聚焦透镜主要采用硒化锌材料。
这种红外半导体材料对10.6μm波长的透过率为70%，吸收系数比砷化镓和锗低两个数量级，并且有良好的热传导率等性能。
聚焦透镜的两个表面均镀有增透膜，以降低反射损失。
反射镜一般采用直接水冷的铜镜，表面镀金或其他抗氧化高反射率材料。
第二章激光
激光，来源于英文Laser，而Laser又来源于LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation。
有人翻译成镭射，同时兼具音译和意译的妙处。
激光的诞生与爱因斯坦有关。
1917年爱因斯坦提出受激辐射概念，是激光的重要理论基础。
这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。
这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。
激光是受激辐射的光放大，就是利用分子或者原子的能量来放大光。
关键之处在于，要维持高能级原子数大于低能级原子数，这种状态称为“粒子数反转”。
要实现粒子数反转，需要利用激活介质,所谓激活介质（也称为工作介质或放大介质），就是可以使某两个能级间呈现粒子数反转的物质。
利用适当的技术把能量传递给激活介质，使原子或分子从低能级跃迁到高能级，形成粒子数反转。
这个过程被称做“泵浦”，又称做“激励”。
第三章激光器组成
激光器一般由三部分组成：
（1）能实现粒子数反转的工作介质
它可以是气体，也可以是固体或液体。
现有工作介质近千种。
例如氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子的两个能级实现粒子数反转。
（2）激励源（又称泵浦源）
为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。
一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；
也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；
还有热激励、化学激励等。
各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。
为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”，以维持处于高能级的粒子数比低能级多，实现粒子数反转。
粒子数反转随温度升高而减少，CO2激光器的输出功率与气体温度密切相关，降低气体温度就能够提高激光器的输出功率。
要排除CO2激光器放电产生的热量，有两种方法：
第一是扩散冷却，靠放电管的管壁通冷却水把热量排除；
第二是让工作气体高速流动，通过热交换器并不断补充新鲜气体把热量排除。
（3）光学共振腔
共振腔的作用是：
使工作介质的受激辐射连续进行；
不断给光子加速；
限制激光输出的方向。
最简单的光学共振腔是由放置在激光器两端的两个相互平行的反射镜组成。
第四章激光器的工作方式
（1）连续激光
激光泵浦源持续提供能量，在激光工作介质中长时间地建立粒子数反转的条件，长时间地产生激光输出，从而得到连续激光。
连续激光的输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作（如激光通信、激光手术等）的场合。
（2）脉冲激光
脉冲工作方式是指每间隔一定时间才工作一次。
脉冲激光器具有较大输出功率，适合于激光打标、切割、测距等。
（3）巨脉冲激光
巨脉冲激光器发出的激光时间很短，约为一亿分之几秒到十亿分之一秒，能输出极大的功率。
（4）超短脉冲激光
超短脉冲激光器发出的激光，持续时间只有几百亿分之一秒到一万亿分之一秒，甚至还要短。
第五章激光束模式
激光束横截面上光强的分布情况称为激光横模。
一般笼统地把横模当作激光模式。
用符号TEMmn表示各种横向模式。
TEM表示横向电磁波，m、n均为正整数，分别表示在x轴和y轴方向上光强为零的那些点的序数，称为模式序数。
下图示出了几种不同的激光束横模的光斑。
TEM00模又称基模，其光斑中任何一点光强都不为零。
若光斑在x方向上有一点光强为零，称为TEM10模；
在y方向上有一点光强为零，称为TEM01模。
以此类推，模式序数m和n越大，光斑中光强为零的点的数目越多。
有不同横向模式的激光束称为多模。
图8模式光斑
上图中，TEM00模，称为基模。
TEM*01模，是单环模，也叫准基模。
为了与TEM01区分，特地加上星号*。
TEM01模与TEM10模其实可视为相同的模式，因为X、Y轴原本就是人为划分的。
下面示出的是几种模式的立体图。
图9TEM00模式立体图图10TEM10模式立体图
图11TEM20模式立体图图12TEM23模式立体图
图13多模
横模分为轴对称横模和旋转对称横模。
表1轴对称模式光斑
TEMmn
TEMm0
TEMm1
TEMm2
TEMm3
TEMm4
TEMm5
TEMm6
TEMm7
TEMm8
TEM0n
TEM1n
TEM16
TEM17
TEM18
TEM2n
TEM25
TEM26
TEM27
TEM28
TEM3n
TEM34
TEM35
TEM36
TEM37
TEM38
TEM4n
TEM43
TEM45
TEM46
TEM47
TEM48
TEM5n
TEM52
TEM53
TEM54
TEM56
TEM57
TEM58
TEM6n
TEM61
TEM62
TEM63
TEM64
TEM65
TEM67
TEM68
TEM7n
TEM71
TEM72
TEM73
TEM74
TEM75
TEM76
TEM78
TEM8n
TEM81
TEM82
TEM83
TEM84
TEM85
TEM86
TEM87
表2旋转对称模式光斑
TEMpl
TEMp0
TEMp1
TEMp2
TEMp3
TEMp4
TEMp5
TEMp6
TEMp7
TEMp8
TEM0l
TEM1l
TEM2l
TEM3l
TEM4l
TEM44
TEM5l
TEM55
除上面所列出的模式外，还有两种比较特殊的模式：
D模、Q模。
图14D模图15Q模
第六章激光器分类
激光器按工作介质的不同，分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。
气体激光器是一类以气体为工作介质的激光器。
此处所说的气体可以是纯气体，也可以是混合气体；
可以是原子气体，也可以是分子气体；
还可以是离子气体、金属蒸气等。
多数采用高压放电方式泵浦。
最常见的有氦-氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器、氦-镉激光器和铜蒸气激光器等。
气体激光器具有结构简单、造价低，操作方便，工作介质均匀，光束质量好，能长时间较稳定地连续工作的特点。
也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有60％以上的市场。
团结普瑞玛的机器所采用的激光器几乎都是二氧化碳激光器。
所以，我们主要介绍CO2激光器。
第七章二氧化碳激光器
二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作介质的气体激光器，1964年由帕特尔（Patel）发明。
是一种能
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