二氧化碳激光器（二氧化碳激光器）是一种分子气体激光器，在长波长的红外光谱区发射。它基于一种气体混合物作为增益介质，其中包含二氧化碳（CO2）、氦（He）、氮（N2），可能还有一些氢（H2）、氧（O2）、水蒸汽和/或氙（Xe）。这种激光器是通过气体放电进行电泵浦的，可以用直流电、交流电（如20-50千赫）或射频（RF）领域进行操作。

尽管直接激发二氧化碳分子进入上层激光是可能的，但事实证明，使用氮气分子的共振能量转移是最有效的。在这里，氮分子被放电激发到一个可转移的振动水平，并在与二氧化碳分子碰撞时将其激发能量转移到二氧化碳分子上。然后退出的二氧化碳分子在很大程度上参与了激光转换。氦气的作用是消除较低的激光层，并消除热量。其他成分如氢气或水蒸气可以帮助（特别是在密封管激光器中）将一氧化碳（CO，在放电过程中形成）重新氧化成二氧化碳。

图1：密封管式二氧化碳激光器的设置示意图。气体管有Brewster窗口，并且是水冷的。

光谱线

二氧化碳激光器的典型发射波长为10.6μm，但在9-11μm区域还有几十条激光线（尤其是9.6μm）。这是因为二氧化碳分子的两个不同的振动状态可以作为下级，对于每个振动状态，有相当数量的旋转状态，导致许多子级。偶极转换（唯一具有相对较高强度的转换）在ΔJ=±1的情况下是可能的，其中ΔJ=1（R分支）导致较高的光子能量（较短的波长），ΔJ=-1（P分支）导致较低的能量。

较强波段的过渡，涉及两个可能的最终振动水平之一，其P分支在10.6微米左右，其中P20是主要的过渡，而R分支在10.2微米左右。

另一个波段的过渡的P分支在9.6微米左右，R分支在9.3微米左右。

在激光共振器中使用适当的波长调谐元件，可以使二氧化碳激光器在每个分支中具有相对紧密的波长的十多个过渡中的一个上发光，但由于分子的离散旋转状态，连续的波长调谐是不可能的。如果在谐振器中没有波长选择元件，人们可能会在几个转换上同时获得发光，或者在操作过程中偶尔跳到其他转换上。

非标准的发射波长使二氧化碳激光器适用于其他应用领域。

虽然大多数市售的CO2激光器都是以10.6μm的标准波长发射的，但也有一些设备专门针对其他波长进行了优化，如10.25μm或9.3μm，它们更适合于某些应用，如激光材料加工，因为这种辐射在某些材料（如聚合物）中吸收得更多。为了制造这种激光器和使用其辐射，人们可能需要特殊的红外光学器件，因为标准的透射型10.6μm光学器件可能会出现过强的反射。

所有二氧化碳激光器的发射线都可以被认为是在长波长的红外区域，根据ISO 20473:2007，这是中红外区域的一部分。

输出功率和效率

在大多数情况下，平均输出功率在几十瓦到几千瓦之间。功率转换效率约为10%至20%，即高于大多数气体激光器（由于有特别有利的激发途径），也高于灯泵浦固体激光器，但低于许多二极管泵浦激光器。

由于其高输出功率和长发射波长，二氧化碳激光器需要高质量的红外光学器件，通常由硒化锌（ZnSe）或硫化锌（ZnS）等材料制成。

由于其高功率和高驱动电压，二氧化碳激光器引起了严重的激光安全问题。然而，它们的长工作波长使它们在低强度下对眼睛相对安全。

CO2激光器类型

CO2激光器家族非常多样化。

这些概念导致了相当不同的激光器结构，在输出功率潜力、光束质量、气体消耗和设备寿命方面具有具体的优势和劣势。

CO2激光器的应用

CO2激光器作为工业激光器被广泛用于激光材料的加工，特别是在以下方面：

与固体激光器的竞争

用于激光材料加工（如焊接和切割金属，或激光打标）的CO2激光器与工作在1μm波长系统的固体激光器（特别是YAG激光器和光纤激光器）存在竞争。这些较短的波长具有在金属工件中更有效的吸收和通过光纤电缆进行光束传输的潜力。(此外，只要光束质量高，1-μm的光束可以被更紧密地聚焦。然而，后者的潜力通常不能通过高功率的灯泵浦激光器实现，而且二极管泵浦激光器往往更昂贵。关于吸收问题，二氧化碳激光束实际上对某些材料如聚合物和陶瓷相当有利。即使吸收率不如固体激光器，二氧化碳激光器也可能是首选，因为它是一个相对便宜和强大的解决方案。然而，一个实质性的缺点是，没有用于CO2激光辐射的高功率光纤电缆。

CO2激光器仍然广泛用于切割和焊接业务，特别是用于厚度超过几毫米的部件，其销售量仍然占全球所有激光器销售量的很大一部分。由于高功率薄盘激光器和先进的光纤电缆的发展，以及利用这种激光器的高光束质量的技术，这种情况在未来可能会有一定程度的改变。