二氧化碳激光器

因為這是一種非常有效率的激光，作為商業模型來說其轉換效率達到10%，所以二氧化碳激光廣泛用於激光切割，焊接，鑽孔和表面處理。作為商業應用激光可達45千瓦，這是目前最強的物質處理激光。

二氧化碳激光是一種分子激光。主要的物質是二氧化碳分子。它可以表現多種能量狀態這要視其震動和旋轉的形態而定。基本的能量網狀見圖1。二氧化碳里的混合氣體是由於電子釋放而造成的低壓氣體（通常30-50托）形成的等離子。如麥克斯韋-波爾茲曼分佈定律所說，在等離子里，分子呈現多種興奮狀態。一些會呈現高能態（00o1）其表現為不對稱擺動狀態。當與空心牆碰撞或者自然散發，這種分子也會偶然的丟失能量。通過自然散發這種高能狀態會下降到對稱擺動形態(10o0)以及放射出可能傳播到任何方向的光子（一種波長10.6μm的光束）。偶然的，這種光子的一種會沿著光軸的腔向下傳播也將在共鳴鏡里擺動。

二氧化碳激光器是以CO2氣體作為工作物質的氣體激光器。放電管通常是由玻璃或石英材料製成，裡面充以CO2氣體和其他輔助氣體（主要是氦氣和氮氣，一般還有少量的氫或氙氣）；電極一般是鎳制空心圓筒；諧振腔的一端是鍍金的全反射鏡，另一端是用鍺或砷化鎵磨製的部分反射鏡。當在電極上加高電壓（一般是直流的或低頻交流的），放電管中產生輝光放電，鍺鏡一端就有激光輸出，其波長為10.6微米附近的中紅外波段；一般較好的管子。一米長左右的放電區可得到連續輸出功率40～60瓦。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點：

它有比較大的功率和比較高的能量轉換效率。一般的閉管CO2激光器可有幾十瓦的連續輸出功率，這遠遠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輸出。此外橫向大氣壓CO2激光器，從脈衝輸出的能量和功率上也都達到了較高水平，可與固體激光器媲美。CO2激光器的能量轉換效率可達30～40%，這也超過了一般的氣體激光器。

它是利用CO2分子的振動-轉動能級間的躍遷的，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。近年來發現的高氣壓CO2激光器，甚至可做到從9～10微米間連續可調諧的輸出。

它的輸出波段正好是大氣窗口（即大氣對這個波長的透過率較高）。除此之外，它也具有輸出光束的光學質量高，相干性好，線寬窄，工作穩定等優點。因此它在國民經濟和國防上都有許多應用，如應用於加工（焊接、切割、打孔等），通訊、雷達、化學分析，激光誘發化學反應，外科手術等方面。

應用CO2激光相干成像雷達進行機載反坦克導彈的精確制導的研究，是1977年由麻省理工學院的林肯實驗室開始的，實驗室於1981年研製成功並進行了演示試驗。早在20世紀70年代末，美國國防先進技術研究計劃局（Defence Advanced Research Projects Agency）就決定把CO2激光相干成像雷達作為第二代巡航導彈制導系統的主攻方向，現已到了技術基本成熟階段。DARPA和美國空軍航空系統分部主持的巡航導彈先進位導（CMAG，Cruise Missile Advanced Guidence）預研計劃，1977~1989年完成了研究計劃，並完成了飛行演示實驗，進一步研製了CO2激光主動成像雷達導引頭工程樣機。目前CMAG技術已應用在空中發射的先進戰略巡航導彈AGM-129A上，使其目標精度由原來的40m提高到3m，提高一個數量級。美國前麥·道公司為空軍研製的一種全天候CO2激光相干成像雷達，於1988年進行了樣機演示，預計裝在戰斧（Tomahawk）改型巡航導彈上。

二氧化碳激光器內的氣體並非純二氧化碳，通常是以下幾種氣體的混合：

• 二氧化碳（CO）：10-20%

徠• 氮氣（N）：10-20%

• 氦氣（He）：其餘內容

具體氣體的配比根據應用目的的不同而有所改變。

因為二氧化碳激光器能達到的功率非常高，經常用來做工業的切割機，而低功率的激光器常常用來雕刻。此外，由於水在二氧化碳激光器的發光頻率極容易揮發，因此也常常被用來做激光嫩膚，磨皮等激光手術。

由於大氣層對紅外線的阻擋能力很弱，因此常被用來做激光武器。