一、什么是 CO 2激光器

　　所有激光器都需要所謂的激光介質(zhì)。正是在這種激光介質(zhì)中，受激輻射光放大 (LASER) 發(fā)生了。激光介質(zhì)有幾種類型：固態(tài)、準(zhǔn)分子、染料、半導(dǎo)體(或二極管)，最后是氣體激光器，即 CO 2激光器系列。聽到 CO 2是在 CO 2激光器中產(chǎn)生激光的活性成分，可能不會(huì)感到驚訝。然而，當(dāng)二氧化碳被稀釋到僅占總氣體混合物的 20% 左右時(shí)，CO 2激光器的性能要好得多。

　　激光器的效率通常通過其“電光轉(zhuǎn)換效率”來量化。這種效率衡量方法是用激光束的功率除以運(yùn)行激光器所需的電功率(包括冷卻系統(tǒng)和其他損耗)計(jì)算得出的。大多數(shù) CO 2激光器的電光轉(zhuǎn)換效率通常介于10% 和 20%之間，就氣體激光器而言，這是相當(dāng)不錯(cuò)的。特別是考慮到CO 2激光器可以提供的高光束質(zhì)量時(shí)。但如果使用錯(cuò)誤的波長(zhǎng)，所有的功率和效率都不會(huì)有效。這就是 CO 2激光器真正發(fā)揮作用的地方。

　　因?yàn)镃O 2是三原子分子，所以它有許多可用的能級(jí)。這意味著可以發(fā)生許多不同的能量躍遷，這反過來意味著可以在光譜的中紅外部分產(chǎn)生許多不同的波長(zhǎng)。CO 2激光器的主要激光線以 10.6 微米為中心，但在 9 至 11 微米范圍內(nèi)還有數(shù)十條激光線。

　　大氣阻擋了許多波長(zhǎng)，但有一些小的波長(zhǎng)“窗口”允許通過。其中一個(gè)大氣窗口與 CO 2激光的波長(zhǎng)完美重合，使其成為觀察大氣的有用工具。仔細(xì)想想，這有點(diǎn)諷刺：CO 2負(fù)責(zé)使大氣層更加不透明(導(dǎo)致溫室效應(yīng))，但這種氣體也為唯一能夠直接穿過大氣層的激光器之一提供動(dòng)力.在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，水對(duì)中紅外波長(zhǎng)的高吸收意味著這種激光可以與大多數(shù)生物組織有效相互作用。作為一個(gè)額外的好處，它具有重要的止血特性，這導(dǎo)致它們被用于牙科、燒傷疤痕的治療、皮膚表面重修和外科手術(shù)。它們可以切割、焊接、標(biāo)記、雕刻、硬化、焊錫、3D 打印。

　　二、CO 2激光器如何工作

　　前面提到，用于 CO 2激光器的氣體混合物中只有大約 20% 實(shí)際上是 CO 2。那么，其它 80% 是多少?為什么我們不使用 100% CO 2呢?通常，大約 20% 是氮?dú)猓?% 或 2% 是水蒸氣、氫氣、氧氣或氙氣，其余是氦氣。任何激光器要工作，第一步是為激光介質(zhì)提供額外的能量。這稱為激發(fā)。

　　事實(shí)證明，如果你激發(fā)氮?dú)猓涂梢詫⑵涫Ｓ嗄芰哭D(zhuǎn)移到鄰近的 CO 2分子。而且這種方法產(chǎn)生的效率比直接激發(fā)二氧化碳所能達(dá)到的效率高得多。二氧化碳有一系列不同的能量模式可供使用。當(dāng) CO 2分子發(fā)射激光時(shí)，它們會(huì)下降到較低的能量模式，而不必達(dá)到激光器的最佳功能所需的最低能量模式。

　　當(dāng)這些低能量的 CO 2分子與氦碰撞時(shí)，它們將剩余的能量轉(zhuǎn)移給氦，從而回到基態(tài)。這個(gè)過程稱為放松。

　　CO 2可在激光操作期間降解為一氧化碳(CO)。這是一個(gè)不受歡迎的副作用，少量的水蒸氣或氫氣可以幫助觸發(fā) CO 轉(zhuǎn)化回 CO 2。