一 : CO2激光器工作原理及其故障研讨

CO2激光器工作原理及其故障研讨

李振华 范铁锤

〔摘 要〕简介气体激光器在医学上的应用。分析CO2激光器的工作原理，并研

讨其故障。

〔关键词〕气体激光器 CO2激光器 故障研讨。

〔中国分类号〕R312 〔文献标识码〕B 〔文章编号〕

1002-2376(2000)07-0037-02

THE CO2 LASER′S WORKING PRINCIPLE AND ITS TROUBLE DELIBERATION

LI Zhen-hua FAN Tie-chui

Abstract: brief introduction gas laser's application in medical science.Analyse CO2 laser's working principle and deliberate its trouble

key works:gas laser， CO2 laser trouble deliberation.

光的本质是一种电磁波，它既有微粒特性又具有波动特性。激光与普通光一样也是电磁波，它的历史年代可以追溯到1917年，爱因斯坦在他的经典著作“关于辐射的量子理论”中第一次提出了受激发射的概念，论证了受激发射、自发发射和光吸收之间的关系，这些基本理论为以后的激光发展提供了理论基础。激光具有单色性好，方向性强、亮度高的特点，对生物组织的作用有光效应、热效应、压力效应和电磁效应。各种激光器被广泛应用在医学领域中，它们不仅是医学研究的有力工具，也在疾病诊断、治疗等方面获得了极为广泛的应用，成为人类战胜疾病的又一武器。

一、气体激光器及其在医学上的应用

根据工作物质进行分类，激光器可以分成气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器等。气体激光器能连续输出激光，是医学中用得最多的激光器，如氦——氖激光器(He-Ne 激光器)、二氧化碳激光器(CO2激光器)、氩离子

和氪离子激光器、氮分子激光器、氦镉激光器和波长可调的准分子激光器等。

1.氦—氖激光器(He-Ne 激光器)

氦—氖激光器(He-Ne 激光器)是原子气体激光器，工作物质是氦原子和氖原子气体，氖原子能级间的跃迁产生激光谱线，氦原子起能量转移作用，这是最早研究成功的气体激光器。医学中常将此种激光器用做“光针”和照射治疗的工具，对溃疡的治疗有较好的疗效。

2.二氧化碳激光器(CO2激光器)

CO2激光器是气体分子激光器，工作物质是CO2气体，辅助气体有氮气，氦气，

氙气和氢气等。由于这种激光器能量转换效率高达25%。故常做成高功率输出的激光器。CO2激光器的波长为10.6μm，是不可见的红外光，与生物组织作用时，

几乎全被生物组织200μm内的表层吸收，稳定性较好，医学上应用广泛。

3.氮分子激光器

氮分子激光器是分子气体激光器，工作在紫外波段(波长377.1nm)。这种激光的脉冲宽度窄，峰值功率高，对生物体的作用是非常强烈的，医学上用它诊断和治疗肿瘤。

4.氩离子激光器

氩离子激光器是气体离子激光器，与其同类的还有氪离子激光器、氖离子激光器和氙离子激光器等，结构基本相同。氩离子激光器的波长有

514.5nm,488.0nm， 457.9nm， 465.8nm， 476.5nm， 496.5nm等等，都在可见光范围内，是光强最强的可见光激光器，连续输出功率几瓦到十几瓦，医学上用作“光刀”和照射治疗，用于治疗眼科疾病比其它激光器优越，上、下消化道出血时，可用光学纤维传送此种激光于内腔，进行止血治疗，或治疗内腔肿瘤。

5.准分子激光器

准分子激光器是二十世纪七十年代发展起来的一种脉冲激光器，主要特点是波长短功率高，工作物质有稀有气体，稀有气体卤化物和稀有气体氧化物，输出波长从真空紫外到可见光区域。准分子激光已在军事上广泛应用，在医学上，有趋势表明它将成为CO2激光等传统激光器的重要竞争对手。

二、CO2激光器的工作原理

在CO2激光器的放电管内充有CO2、N2、He等混合气体，其配比和总气压可

以在一定范围内变化(一般是：CO2：N2：He＝1:0.5:2.5总气压为1066.58Pa)。

任何分子都有三种不同的运动形式：一是分子里的电子运动，决定着电子能态；二是分子里的原子振动，即原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动，这种运动决定了分子的振动能态；三是分子的转动，决定着分子的转动能态。CO2激关器就是利用CO2分子的振动和转动能级间的跃迁来产生激光的，激光波长为

10.6μm。利用气体放电泵浦方法向CO2气体分子注入能量，使放电管中CO2分子

达到反转分布状态：将直流电压的两输出端分别接到放电管的两电极上，当不加电压或电压很低时，两电极间的气体完全绝缘，内阻为无穷大，没有电流流过；随着电压的升高，气体中开始有带电粒子移动，气体的内阻开始减小，当达到某一电压值时，内阻急剧减小，电流迅速增加、气体被击穿、放电开始，这一电压值叫做着火电压；放电管中的气体被击穿放电后，电流增长、气体中载流子增加、激光放电管的内阻下降、又进一步引起电流的增加，这一过程反复进行，放电管呈现负阻效应，为了使放电能够稳定地工作在放电管电流—电压特性曲线的某一点上，在放电管的供电电路中采取了限流措施。放电管放电时，在混合气体中，N2分子与电子碰撞、获得的电子能量而被激发，而在N2分子与CO2分子碰撞时又

把它从电子获得的能量转移给CO2分子，使CO2分子被激发，有利于激光的产生；

管中的He气有冷却作用，可以阻止CO2气体温度上升，同时还可以使激光下能

级减少，提高激光器的效率。

三、CO2激光器的故障

CO2激光器是光、机、电一体化结构，其中哪一方面出现异常都会影响其余

方面，所以故障现象往往是错综复杂的综合故障的反应。从以下三个方面对CO2激光器的故障进行研讨。

1.无激光输出

这是CO2激光器在使用中出现频率最高的故障，应从三个方面进行故障分析

和检查。首先检查高压供电电路，因该机的直流高压电源高达到24kV。利用面板上的开关旋钮、指示灯及相应的电压表对故障进行分析判断；在断电的情况下测量高压供电电路是否有断路；确认高压变压器本身是否正常；对负责调整输出电压的可控硅及其触发电路进行测量、检查；在通电情况下用量程大于30kV的高压表测量直流高压电路输出的电压数值。根据笔者的调查统计，直流高压供电电路故障导致无激光输出的故障占该类故障总数的60%以上。其次检查光路仔细观察导光臂固定座的中心轴与CO2激光管的中心轴是否重合(应重合)；CO2激光管

的固定卡环是否松脱；激光管输出侧的平凸镜位置是否正常；输出窗是否清洁。最后检查激光管，如激光管放电正常，但无激光输出，可能是激光管两端腔片损坏或输出窗被遮盖；激光管有不正常的放电，无激光输出，可能是激光管中阳极或阴极损坏，或管中的工作气体被杂质气体所污染；激光管无放电，也无激光输出，则可能是阴极损坏或老化而不能发射电子，阴极或阳极引线封结处玻璃炸裂或激光管两端腔片粘结处漏气，空气进入激光管，从而激光管无法放电。

2.激光输出弱(强度大大低于正常值)

此类故障的原因甚至比无激光输出故障更难分析和检查，仍需从直流高供电电路、激光光路、激光管本身三个方面进行，而且在整个过程中更强调指标的定量。检查电源电压的数值是否正常；旋动激光功率微调旋钮，看毫安表的数值能否灵敏地连续变化(在激光功率选择开关处于不同位置时分别进行)；激光管的检查包括外观结构观察、光路各环节的正确位置、计算激光管的累计工作时间(激光管老化后效率下降，输出变小)。

3.保护电路故障

一般有四种保护电路，哪一种发生故障，激光器都停止工作。

过流保护电路，防止激光管因电路故障引起辉光放电电流过大而使电极损坏或电极线密封处炸裂(一旦炸裂，后果严重)，工程技术人员对该保护电路应采取定期的预防性维修，被动性维修(即发生故障后才去维修)的方式不可取。 断水保护电路，CO2激光器工作时会产生大量热量，循环冷却水必须对激光

管降温，水路不通时，激光管的直流高压被切断。加压泵工作不正常和水位开关接触不良是此类故障的主要原因。断水保护电路的检查是经常性的工作，不容忽视。

安全保护电路，主要由机柜上的门开关组成，为的是保证操作者和患者的安全。因机内有高达24kV的高压。故障原因大多是门开关处接触不良或门装的位置不正。

电源锁开关的保护，为防止非操作和维修人员对机器通电。故障往往由锁开关本身损坏引起，断电情况不用万用表测量即可判断其通、断是否正常。

二 : CO2激光器的工作原理

CO2激光器的工作原理 发布时间：2011-6-10 0:00:00 信息来源： 作者：互联网 　　CO2激光器光电效率相对较高，不造成工作介质损害，发射出10.6μm波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。(www.61k.com]按气体的工作形式可分封闭式及循环式，按激励方式分电激励，化学激励，热激励，光激励与核激励等。　　CO2激光器的工作原理：与其它分子激光器一样，CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动决定了分子的电子能态；二是分子里的原子振动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动——并决定于分子的振动能态；三是分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂，因而能级也很复杂。　　CO2分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧，所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论，CO2有三种不同的振动方式：①二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值，而此时分子中的碳原子静止不动，因而其振动被叫做对称振动。②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，且振动方向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的，又称为变形振动。③三个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级。　　CO2激光的激发过程：CO2激光器中，主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦，可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用，为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。　　CO2激光器的激发条件：放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。　　结构：①激光管：是激光机中最关键的部件。常用硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管。二氧化碳激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。放电管的粗细一般来说

二氧化碳激光器原理 CO2激光器的工作原理

对输出功率没有影响，主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应，应根据管长而定。（www.61k.com）管长的粗一点，管短的细一点。放电管长度与输出功率成正比。在一定的长度范围内，每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。加水冷套的目的是冷却工作气体，使输出功率稳定。放电管在两端都与储气管连接，即储气管的一端有一小孔与放电管相通，另一端经过螺旋形回气管与放电管相通，这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动，放电管中的气体随时交换。　　光学谐振腔：CO2激光器的谐振腔常用平凹腔，反射镜用K8光学玻璃或光学石英，经加工成大曲率半径的凹面镜，镜面上镀有高反射率的金属膜——镀金膜，在波长10.6μm处的反射率达98.8％，且化学性质稳定。二氧化碳发出的光为红外光。所以反射镜需要应用透红外光的材料，因为普通光学玻璃对红外光不透。就要求在全反射镜的中心开一小孔。再密封上一块能透过10.6μm激光的红外材料，以封闭气体。这就使谐振腔内激光的一部分从这一小孔输出腔外，形成一束激光。　　电源及泵浦：封闭式CO2激光器的放电电流较小，采用冷电极，阴极用钼片或镍片做成圆筒状。30～40mA的工作电流，阴极圆筒的面积500cm2，不致镜片污染，在阴极与镜片之间加一光栏。　　泵浦采用连续直流电源激发。激励CO2激光器直流电源原理，直流电压为把市内的交流电压，用变压器提升，经高压整流及高压滤波获得高压电加在激光管上。

扩展：co2激光器工作原理 / co2激光器原理 / 激光器的工作原理

三 : RF CO2激光电源类别与原理 58

RF CO2激光电源类别与原理

1引言

自1973年第一台射频（RF）波导激光器问世至今已26年多。最初是将线圈绕在波导上，实现了RF激励波导激光器的发光。它首次显示了低电压激励的优越性。那时，还有许多不完善的地方。存在的主要缺点是：放电不均匀，耦合效率差、线圈电感太大，限制RF频率的提高，只能在几MHz以下工作等。

尽管已有26年多的研制、使用历史，但当前它仍处于发展与改进阶段。其总的研制方向是：降低成本、增长寿命、提高输出功率和效率、减小体积和质量，改进可靠性，提高各项性能指标，以适应各种用途的需要。

RFCO2激光器工作频率按ISM规定为27～40MHz；其主要分类如下所述：

（1）按输出方式分

1）连续输出；

2）脉冲输出——调制频率高达1MHz；

3）Q开关输出——电光调Q与声光调Q。

（2）按谐振腔的工作分

1）波导腔——孔径D=1～3mm；

2）自由空间腔——孔径D=4～6mm。

（3）按激励极性分

1）单相；

2）反相。

（4）按腔体结构分

1）单腔；

2）多腔；

（a）折叠腔：V型——2折；Z型——3折；X型——4折。

（b）列阵腔：短肩列阵；交错列阵。

（c）积木式：并联—2腔；三角组联—3腔。

3）大面积放电

（a）平板型，（b）同心环型。

（5）按均恒电感分布方式分

1）准电感谐振技术—用于低电容激光头；

2）平行分布电感谐振技术—用于高电容激光

头。

（6）按谐振腔材料分

1）陶瓷—金属混合型；2）全陶瓷型；3）全金属型。

（7）按冷却方式分

1）空气冷却；2）水冷却。

（8）按封装方式分

1）封离型；2）流动型。

谐振腔的材料一般为：金属—A1。陶瓷—BeO，BN、AIN、Al2O3等。

2技术条件

用于CO2激光器的典型工作气体内含有：二氧化碳、氮、氦和氙。氮气和氦气有利于放电的均匀性。氙气对RF放电激光器的功率和效率具有积极影响。添加5％氙气可使功率提高24％。

通常单模结构器件，单位长度注入的连续（射频）激励功率限于2～6W/cm，转换效率为10％～20％，对激光电源的一般要求为：稳定可靠、维修方便、效率高、尺寸小、成本低。

具体技术条件如下：

输入参数：交流输入电压220V；交流输入电流1.5A；开关电源输出直流电压30V；开关电源输出电流8A。 RF电源：输入功率160W；工作频率40MHz；输出波形正弦波；带宽△f±3MHz；效率70％。

调制器：脉冲调制频率0～100kHz方波连续可调；占空比连续可调；幅度调制度100％。

3原理电路

RFCO2激光电源由5部分组成［1］，如图1所示。

图1 RF CO2激光器电源原理框图

图1中第1部分为整流滤波电路，采用全波桥式整流与电容滤波将220V交流变为311V平滑直流。第2部分为开关电源，将311V直流变为100kHz脉冲电流，再经电容、电感滤波后变为30V、8A直流。第3部分包括由振荡器与放大器两部分组成的RF电路（如虚线框内所示）。将输入直流经晶振变为40MHz，6W射频。再经14.28dB增益的放大器，放大后输出为40MHz，160W。第4部分为脉冲工作的调制器。第5部分为匹配网络。

本文将重点介绍第3部分和第4部分。电路如图2所示。振荡器由晶体管V2、电感线圈L1、电容器C5、C7、电阻R11、R12、石英晶体振荡器G等组成。晶体振荡电路产生6W、40MHz正弦振荡波，经3：1传输线变压器T，推动推挽功率放大器。推挽功率放大器由晶体管V3、V4，电感L3、L2，电阻器R13、R14、R15，电容器C9、C10和变压器T组成D类电流开关推挽放大器，两个晶体管轮流导通。为了追求小型化，提高效率是关键，因而采用D类电流开关推挽放大器是一种必然结果。这一点可由下述工作过程的分析清楚地看出。

当晶体管导通时，C极电流的基波分量为最大，回路中点电压也等于最大值Umax，在中心点处的电压平均值等于电源电压。因此（当UCC≈30V时），

由此得出：

Umax=（π/2）（UCC－UCS）＋UCS（2）

C极回路两端交流电压峰值为：

UCmax=2（Umax－UCS）=π（Ucc－Ucs）（3）

基波分量振幅为：（2/π）ICC，因而回路产生基频电压振幅为：

UCmax=（2/π）ICCR（5）

将（3）式代入（5）式即得：

ICC=πUCmax/2R=（π2/2R）（UCC－UCS）（6）

则输出功率：

P0=U2Cmax/2R=（π2/2R）（UCC－UCS）2（7）

DC输出功率：

PDC=ICC.UCC=（π2/2R）（UCC－UCS）UCC（8）

C极耗散功率：

PC=PDC－P0=（π2/2R）（UCC－UCS）UCS（9）

由此得出C极效率：

ηC=P0/PDC=（UCC－UCS）/UCC（10）

可见，晶体管饱和压降UCS越小、效率ηC则越高，若

UCS→0，则ηC→100％，这是D类电流开关推挽放大电路的优点，为此设计时应注意尽量选取饱和压降低的功率晶体管。

脉冲工作由图1中第4部分调制器控制。调制器的原理电路见图2，它以IC1与IC2为主体，组成幅度键控调制器，属于数字信号调幅的线性调制器［3］。连续工作时，将图2中S开关置于OFF关断位置。脉冲工作时，将S开关置于ON接通位置。脉冲调制的工作过程是：利用一个矩形脉冲序列的基带信号对振荡器晶体管V2的振荡幅度进行控制。由控制振荡电路的起振与停振达到调制的目的。由电位器RP4控制调制频率，由RP7控制脉冲宽度。所

RF CO2激光电源类别与原理 58_co2激光器原理

以，调制频率与调制脉宽皆可作到连续可调。

图2RF电路原理图

第5部分是阻抗匹配网络。负载阻抗匹配的目的是消除不匹配负载的反射。方法是引入电抗性元件（电容、电感或传输线）。人为地产生一个或数个反射波。使它与原来不匹配负载产生的反射波相互抵消。使激光器的输入阻抗与RF电源的输出阻抗互为共轭复数。匹配网络一般分为两种，一种是集总参数匹配网络，其主要形式有L型、T型、π型等［3］。这种匹配网络的主要缺点是：插入耗损大、噪声大、体积大。另一种是分布参数匹配网络，是1/4波长传输线，这就克服了上述集总参数匹配网络的缺点。它的理论关系比较简单。由传输线任一点上的电压和电流方程即可方便地导出下列1/4波长（或1/4波长奇数倍）阻抗交换方式为： Z0=（10）

式中Z1——电源输出的阻抗；

Z2——激光器输入的阻抗；

Z0——1/4传输线的特性阻抗。

1/4传输线采用SYV－50－3电缆。它一端接电源，另一端接激光头。该RF电源如作积木式结构应用，同时可满足输出激光30W，60W等激光器的需要。

4结束语

最后是关于激光头的准电感谐振技术。为了使输入射频沿激光器长度，电压分布均匀，加入一对电感并联在谐

振腔上下电极之间。这样，由于电感负导纳的补偿作用，使激光器沿长度上的驻波比大大下降，失配角小于9°，理论计算结果电压不均匀度小于3％。

本文标题：co2激光器原理-CO2激光器工作原理及其故障研讨
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