與其它分子激光器一樣，CO2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動，即分子里電子的運動，其運動決定了分子的電子能態(tài)；二是分子里的原子振動，即分子里原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動——并決定于分子的振動能態(tài)；三是分子轉(zhuǎn)動，即分子為一整體在空間連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，分子的這種運動決定了分子的轉(zhuǎn)動能態(tài)。分子運動極其復(fù)雜，因此能級也很復(fù)雜。

　　CO2激光器產(chǎn)生激光：在放電管中，通常輸入幾十 mA或幾百mA的直流電流。放電時，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。這時受到激發(fā)的氮分子便和 CO2分子發(fā)生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給 CO2分子，CO2分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生激光。

　　如圖 1 所示是為一種典型的 CO2激光器結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成 CO2激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。

　　基本結(jié)構(gòu)：

　　① 激光管

　　激光器中最關(guān)鍵的部分。通常由三部分組成（如圖 1所示）： 放電空間（放電管）、水冷套（管）、儲氣管。放電管通常由硬質(zhì)玻璃制成，一般采用層套筒式結(jié)構(gòu)。它能夠影響激光的輸出以及激光輸出的功率，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。

　　一般而言，放電管的粗細(xì)對對輸出功率沒有影響。

　　水冷套管的和放電管一樣，都是由硬質(zhì)玻璃制成。它的作用是冷卻工作氣體，使得輸出功率穩(wěn)定。

　　儲氣管與放電管的兩端相連接，即儲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。它的作用是可以使氣體在放電管中與中循環(huán)流動，放電管中的氣體隨時交換。

　�、� 光學(xué)諧振腔

　　光學(xué)諧振腔由全反射鏡和部分反射鏡組成，是 CO2激光器的重要組成部分。光學(xué)諧振腔通常有三個作用：控制光束的傳播方向，提高單色性；選定模式；增長激活介質(zhì)的工作長度。

　　最簡單常用的激光器的光學(xué)諧振腔是由相向放置的兩平面鏡（或球面鏡）構(gòu)成。CO2激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡采用由K8 光學(xué)玻璃或光學(xué)石英加工成大曲率半徑的凹面鏡，在鏡面上鍍有高反射率的金屬膜——鍍金膜，使得波長為10.6μm的光反射率達(dá) 98.8％，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。我們知道二氧化碳發(fā)出的光為紅外光，因此反射鏡需要應(yīng)用透紅外光的材料。因為普通光學(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，這樣就使諧振腔內(nèi)激光的一部分從這一小孔輸出腔外，形成一束激光。

　　③電源及泵浦

　　泵浦源能夠提供能量使工作物質(zhì)中上下能級間的粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)。封閉式 CO2 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。

　　與其它激光器相比，CO2激光器有著以下優(yōu)缺點，如下：

　　優(yōu)點：具有較好的方向性、單色性和較好的頻率穩(wěn)定性。而氣體的密度小，不易得到高的激發(fā)粒子濃度，因此，CO2氣體激光器輸出的能量密度一般比固體激光器小。

　　缺點：CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但也不會超過 40％，這就是說，將有 60％以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級的消激發(fā)和激光下能級的熱激發(fā)，這都會使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導(dǎo)致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起 CO2 分子的分解，降低放電管內(nèi)的 CO2 分子濃度。這些因素都會使激光器的輸出功率下降，甚至產(chǎn)生“溫度猝滅”

　　CO2激光器是一種比較重要的氣體激光器。這是因為它具有一些比較突出的優(yōu)點：，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，橫向流動式的電激勵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-轉(zhuǎn)動能級間的躍遷的，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（即大氣對這個波長的透明度較高）。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。因此它在國民經(jīng)濟(jì)和國防上都有許多應(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。

　　大功率橫向激勵二氧化碳激光器，主要用于激光焊接、激光切割、激光熱處理等。在汽車工業(yè)、鋼鐵工 業(yè)、造船工業(yè)、航空工業(yè)、機械工業(yè)、冶金工業(yè)、金屬加工和電機制造等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

　　未來的 CO2激光器將朝著以下幾個方向發(fā)展：

　　(1) 高功率橫流 CO2激光器。

　　高功率橫流 CO2 激光器，用于激光加工和熱處理，激光器的整機呈一體化的箱體。箱體的上箱體中置有一體化的放電室、熱交換器、風(fēng)機系統(tǒng)、進(jìn)出口導(dǎo)流器以及光學(xué)諧振腔，箱體的下箱體中置有激光電源、充放氣系統(tǒng)、真空泵、鎮(zhèn)流電阻箱和控制盒。與已有技術(shù)相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝調(diào)試和維修方便、激光器的工作效率高，整機的體積可以小型化的特點。它主要應(yīng)用于金剛石工具、汽車齒輪、汽車安全氣囊氣體發(fā)生器等焊接中的應(yīng)用，激光表面淬火與熔覆工藝及其在鋼鐵軋輥表面熔凝淬火、石油化工零件表面修復(fù)等方面的特殊應(yīng)用。

　　(2) 聲光調(diào)Q CO2激光器：為滿足激光測距、環(huán)境探測、空間通訊及激光與物質(zhì)相互作用機理研究等領(lǐng)域應(yīng)用要求，研制了聲光調(diào)Q C02激光器。針對影響聲光調(diào)Q CO2：激光器輸出的各種因素，利用調(diào)Q脈沖激光器速率方程對該激光器輸出的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了理論分析和計算，提出了聲光調(diào)Q  CO2：激光器優(yōu)化設(shè)計的方法，并進(jìn)行了驗證實驗。

　　激光器脈沖重復(fù)頻率為lHz～50 kHz，在l kHz運轉(zhuǎn)時獲得的輸出激光脈沖寬度為180 ns，峰值功率為4062 W，與理論計算基本一致。結(jié)果證明：通過聲光晶體(AO)的優(yōu)選及諧振腔的合理設(shè)計�？蓪崿F(xiàn)小型CO2激光器的高重頻、窄脈寬，高峰值功率輸出，并可通過光柵選線的設(shè)計方式和TTL信號控制實現(xiàn)此類激光器的波長調(diào)諧和編碼輸出。

　　(3)緊湊型長壽命射頻激勵波導(dǎo) CO2激光器  :為了使 CO2激光器在工業(yè)加工及軍事上有更廣泛的應(yīng)用,采用鋁合金拉制型材作為激光器殼體、盤裝電感代替?zhèn)鹘y(tǒng)線繞電感的結(jié)構(gòu)以及全金屬封接工藝等,研制出一種緊湊型長壽命射頻激勵波導(dǎo) CO2激光器.可連續(xù)輸出或在不高于20kHz 調(diào)制頻率下脈沖輸出,輸出功率30W,實測工作壽命超過1500h,存儲壽命超過1.5a.結(jié)果表明,這種激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸出功率穩(wěn)定、工作壽命長、可連續(xù)及脈沖調(diào)制工作等特點,除了能滿足各種材料的加工,也可在軍事上應(yīng)用。

　　(4)新型便攜式 TEA CO2激光器：它是一種新型便攜式橫向激勵大氣壓CO2激光器。該激光器采用4節(jié)5號充電電池直流供電,在1 Hz 重復(fù)頻率條件下,可連續(xù)工作1 h.激光器整機(包括電源及控制系統(tǒng))尺寸為200 nm×200 mm  ×  360 mm,質(zhì)量小于8 kg.激光器使用紫外電暈預(yù)電離方式,放電均勻、穩(wěn)定.自由振蕩情況下,激光脈沖輸出能量達(dá)到35 mJ,輸出脈沖寬度為70 ns。

　　(5)高功率連續(xù) CO2激光器：針對直升飛機發(fā)動機渦輪葉片采用連續(xù)激光熔覆出現(xiàn)裂紋及葉片變形的問題,在5 kW 連續(xù)橫流 CO2激光器上,采用新的電源控制方案,通過軟件及相關(guān)控制,實現(xiàn)了脈沖激光功率輸出.克服了采用高功率開關(guān)電源帶來的成本和穩(wěn)定性問題.且脈沖調(diào)制頻率可達(dá)到5 Hz,調(diào)制占空比可達(dá)到5%～100%.當(dāng)采用4 kW 峰值功率,4 Hz 脈沖重復(fù)頻率,占空比為20%時,在發(fā)動機葉片K403合會表面進(jìn)行合金粉末Stellite X-40的熔覆實驗.結(jié)果表明,熔覆后熱影響區(qū)比連續(xù)激光減少50%,硬度提高5%,界面結(jié)合性能與母材相當(dāng),無熔覆裂紋及葉片變形。