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CO2激光器的激光功率输出范围从几十毫瓦到几万瓦，现在已经发现有数百支谱线输出，在工业、军事、医疗、科研等领域得到了广泛的应用[1-5]。封离型射频激励扩散冷却板条波导CO2激光器，由于具有效率高、易于调制、工作寿命长、免维护等优点，中低功率的CO2激光器越来越多地采用此结构[6-9]。普通工作介质的CO2激光器输出波长为10.6μm，在切割、表面信息标记等方面得到了广泛的应用。随着CO2激光器应用范围的扩展，发现聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚酯酰胺薄膜等，其10.6μm波长的吸收率不如9.3μm波长吸收率高。激光作为一种先进加工手段，要求精细化加工，聚焦光斑的直径尽量小。影响聚焦光斑直径的因素有:光束质量、聚焦镜焦距、激光波长。在其它条件相同的情况下，9.3μm波长得到的聚焦光斑直径比10.6μm波长的约小13%。
国内外对9.3μm激光器已经开展了广泛的研究。主要分为两种方式:一种为采用同位素气体; 一种为谱线选支。在国内使用横向激励高气压(transversely excited atmospheric, TEA)CO2激光器，使用腔镜镀膜选支的方法，得到了9.3μm激光器的输出[10-13]。国外已经出现了商用的9.3μm激光器，国内还没有相应的商用9.3μm激光器。
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氧元素和碳元素有众多的同位素，所以，CO2有众多的同位素气体，如12C16O2，13C16O2，12C18O2等，对应的输出谱线范围如图 1[14]所示。
Figure 1. Spectral line range of CO2 isotope gas[14]
从图 1中可以发现，CO2存在两种跃迁，0001→1000(Ⅰ波段)和0001→0200(Ⅱ波段)，9.3μm(1075cm-1)波长出现在0001→0200波段。3种同位素气体可以产生9.3μm波段跃迁：12C16O2，12C16O18O，12C18O2。在谱线竞争中，小信号增益系数大的谱线在振荡竞争中获胜，产生激光振荡，饱和光强大的产生的激光输出功率高。美国科学家测量了5种同位素气体P(20)跃迁谱线的小信号增益系数和饱和光强，并计算了两个波段的增益系数比[15-16]，见表 1。
Table 1. Small signal gain and saturation intensity of P(20) transition line about five kinds of carbon dioxide isotope gases
band parameter 12C16O2 12C18O2 13C16O2 13C18O2 14C16O2 Ⅰ α0/10-2cm-1 1.07 0.3 0.64 0.42 0.55 Is/(W·cm-2) 47 30 38 39 56 Ⅱ α0/10-2cm-1 0.9 0.73 0.26 0.42 0.099 Is/(W·cm-2) 25 39 9 32 -3 measured α0, Ⅰ/α0, Ⅱ 1.2 0.4 2.5 1.0 5.6 calculated KⅠ/KⅡ 1.4 0.5 3.2 1.0 7.1 表 1中，α0为小信号增益系数，K为通过理论计算得到的增益系数，Is为饱和光强。12C16O2的Ⅰ波段的P(20)跃迁谱线为10.6μm，小信号增益系数是Ⅱ波段P(20)跃迁谱线9.55μm的1.2倍，所以，10.6μm谱线比9.55μm谱线更容易产生激光振荡。12C16O2的常规激光输出波长为10.6μm谱线。12C18O2的Ⅱ波段的P(20)谱线小信号增益系数为Ⅰ波段P(20)谱线的2.5倍，所以，12C18O2的Ⅱ波段的P(20)支优先振荡。1982年, FREED等人[15]测量了表 1中5种同位素气体波段Ⅰ和波段Ⅱ中P(J)和R(J)(转动能级的转动量子数J=12, 16, 20, 24, 28)的小信号增益系数α0和饱和光强Is，并计算了α0Is。FREED的测量结果显示，同一波段中，P支谱线大于R支谱线的增益系数，且P支谱线中P(20)支的α0Is最大。激光器的输出功率公式如下[14]:
$ {{P}_{0}}=2{{I}_{\text{s}}}AT\left( \frac{{{\alpha }_{0}}l}{{{L}_{\text{i}}}+T}-1 \right)~ $
(1) 式中，P0为激光器的输出功率，A为增益介质的横截面积，T为激光器输出镜的透过率，α0为激光器的小信号增益系数，l为增益介质的长度，Li为腔内损耗。由(1)式可知，P(20)支谱线输出激光功率最大。
Table 2. Small signal gain and saturation intensity of 12C18O2
band transition α0/10-2cm-1 Is/(W·cm-2) α0 Is/(W·cm-3) Ⅰ P(28) 0.27 22 0.060 P(24) 0.30 24 0.071 P(20) 0.30 30 0.091 P(16) 0.28 24 0.069 P(14) 0.24 22 0.052 R(12) 0.24 23 0.054 R(16) 0.26 27 0.071 R(20) 0.27 29 0.079 R(24) 0.26 22 0.059 R(28) 0.23 20 0.047 Ⅱ P(28) 0.66 30 0.20 P(24) 0.71 34 0.24 P(20) 0.73 39 0.28 P(16) 0.67 36 0.24 P(14) 0.60 25 0.15 R(12) 0.60 28 0.17 R(16) 0.64 30 0.19 R(20) 0.64 33 0.21 R(24) 0.62 31 0.19 R(28) 0.50 28 0.14 表 2中的数据表明，12C18O2的1000→0200波段优先振荡。对应波段的P(14)~P(28)谱线的输出波长范围为9.31μm ~9.41μm。
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激光器采用全金属封离型射频激励扩散冷却板条波导激光器，图 2为其简图。后腔镜和前腔镜反射率为：R9.3=99.10%，R10.6=99.25%。谐振腔为非稳腔，前后腔镜均采用球面反射镜，后腔镜曲率半径ρrear=663mm，前腔镜曲率半径ρfront=567mm，腔长L=625mm，刀口输出。放电发生在两电极板之间，放电体积的大小为2mm(电极间距)×33mm(电极板宽度)×600mm(电极板长度)，射频(radio frequency，RF)电源为81MHz，射频功率范围为0W~686W。4对电感装在电极板的两侧，使放电区域放电均匀。电极板和射频电源均由冷却水进行冷却。电极板、腔镜装在铝合金材料的密封腔体，密封腔体内充满工作气体，激光由输出窗输出。
Figure 2. Diagram of the laser
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按照p(12C18O2)：p(N2)：p(He)=1：1：8的气压比例充入工作气体，总气压为8.0kPa，气压比为5%的Xe(Xe气压和总气压的比)。射频注入功率为686W时，最大激光输出功率为63W，测量输出激光波长为9.3μm，如图 3所示。
Figure 3. Output wavelength of the laser
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按照p(12C18O2)：p(N2)：p(He)=1：1：8的气压比例充入工作气体，总气压为8.0kPa，气压比为5%的Xe，激光输出功率曲线如图 4所示。
Figure 4. Relationship between RF power and laser power
从图 4可以看出，激光输出功率随占空比的增加而增加，在射频功率大于400W时，曲线斜率减小，激光功率上升变缓。这表明，工作气体气压低于最佳工作气压。
在气体组分比例不变的情况下，改变充气的总气压，进行气压优化实验。总气压分别为8.00kPa，9.33kPa，10.67kPa，10.00kPa，得到的功率曲线如图 5所示。
Figure 5. Relationship between RF power and laser power with different gas pressures
在图 5中，不同的工作气压下，激光功率均随着射频注入功率的增加而增大，功率曲线的斜率表示激光功率随射频功率增加的快慢。图 5表明，不同的工作气压，射频功率增大的快慢不同；最大功率发生在10.00kPa时，表明激光功率和工作气压不是正向关系。图 6是在相同的注入射频功率下，不同工作气压的激光功率。在一定的射频注入功率下，在最佳气压值下，激光功率达到最大，偏离此气压，激光功率都会下降。这是因为，气压低于最佳气压，随着射频功率的增加，导致放电区的等离子体介质阻抗降低，E/P(E为电极板间的电场强度，P为气体的电离功率)降低，从而影响输出功率；而气压高于最佳气压时，分子的热运动过多消耗了高能级的CO2分子，导致激光功率下降。
Figure 6. Relationship between laser power and total gas pressure with different RF powers
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12C18O2的1000→0200波段P支谱线的小信号增益最大，其激光输出波长为9.3μm。利用12C18O2代替12C16O2作为工作介质，在腔镜反射率对9.3μm和10.6μm反射都大于99%的情况下，获得了9.3μm波长的激光输出。通过气压优化实验工作，得到了此激光器的最佳工作气压为10.00kPa，并在此气压下获得了最大96W的9.3μm波长激光输出，注入射频功率和激光输出效率比达到了14%。
9.3μm射频激励板条波导CO2激光器的研究
Study on 9.3μm RF exited slab waveguide CO2 laser
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摘要: 为了得到9.3μm的激光输出，采用比较5种CO2同位素气体小信号增益系数的方法，进行了理论分析。选择同位素气体12C18O2作为射频激励板条波导CO2激光器的工作介质，进行了实验验证，得到了9.3μm的激光输出；并对激光器的工作气压进行优化，在10.00kPa的工作气压下，得到了最大96W的功率输出。结果表明，12C18O2的中心波长在9.3μm附近，且可得到高功率的激光输出。该研究有利于9.3μm CO2激光器的国产化，以及提高核心部件的国产化率。Abstract: In order to obtain 9.3μm laser output, the small signal gain coefficients of 5 kinds of CO2 isotopes were compared. After theoretical analysis and experimental verification, isotope gas 12C18O2 was chosen as the working medium and laser output of 9.3μm was obtained. After the optimization of the working pressure of the laser, the maximum 96W power output was obtained under 10.00kPa working pressure. The results show that high power laser output can be obtained when the central wavelength of 12C18O2 is near 9.3μm. The study is helpful to localize 9.3μm CO2 laser and improve the localization rate of core components.
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Key words:
- lasers /
- CO2 laser /
- CO2 isotope gas /
- 9.3μm wavelength /
- radio frequency excitation /
- slab waveguide
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Figure 6. Relationship between laser power and total gas pressure with different RF powers
Table 1. Small signal gain and saturation intensity of P(20) transition line about five kinds of carbon dioxide isotope gases
band parameter 12C16O2 12C18O2 13C16O2 13C18O2 14C16O2 Ⅰ α0/10-2cm-1 1.07 0.3 0.64 0.42 0.55 Is/(W·cm-2) 47 30 38 39 56 Ⅱ α0/10-2cm-1 0.9 0.73 0.26 0.42 0.099 Is/(W·cm-2) 25 39 9 32 -3 measured α0, Ⅰ/α0, Ⅱ 1.2 0.4 2.5 1.0 5.6 calculated KⅠ/KⅡ 1.4 0.5 3.2 1.0 7.1 
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Table 2. Small signal gain and saturation intensity of 12C18O2
band transition α0/10-2cm-1 Is/(W·cm-2) α0 Is/(W·cm-3) Ⅰ P(28) 0.27 22 0.060 P(24) 0.30 24 0.071 P(20) 0.30 30 0.091 P(16) 0.28 24 0.069 P(14) 0.24 22 0.052 R(12) 0.24 23 0.054 R(16) 0.26 27 0.071 R(20) 0.27 29 0.079 R(24) 0.26 22 0.059 R(28) 0.23 20 0.047 Ⅱ P(28) 0.66 30 0.20 P(24) 0.71 34 0.24 P(20) 0.73 39 0.28 P(16) 0.67 36 0.24 P(14) 0.60 25 0.15 R(12) 0.60 28 0.17 R(16) 0.64 30 0.19 R(20) 0.64 33 0.21 R(24) 0.62 31 0.19 R(28) 0.50 28 0.14
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图(6) / 表(2)
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