工作物質(zhì)在軸快流激光器中的作用CO2激光切割加工激光器中，主要的工作物質(zhì)由CO2、N2、He三種氣體組成。其中CO2是產(chǎn)生激光輻射的氣體，N2及He為輔助性氣體。加入其中的He，可以加速010能級(jí)熱弛豫過(guò)程，因此有利于激光能級(jí)1090及020的抽空。N2加入主要在CO2激光切割加工激光器中起能量傳遞作用，為CO2激光上能級(jí)粒子數(shù)的積累與大功率高效率的激光輸出起到強(qiáng)有力的作用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有許多氣體如N2、CO、He、Xe、H2、H2O等能顯著提高CO2激光切割加工激光的輸出功率和效率也有些氣體則不利于激光的輸出。為了合理地選用輔助氣體我們分別介紹各種氣體的作用。N2和CO在CO2激光切割加工激光器中，N2和CO的作用如前所述是通過(guò)共振能量轉(zhuǎn)移提高CO2分子001粒子的激發(fā)速率和增大對(duì)于10°0、010粒子的弛豫速率，尤其是CO氣體此作用特別突出。不過(guò)這兩種氣體在器件中的含量要適中。對(duì)N2而言，含量太少激光上能級(jí)的積累效果不明顯，太多則會(huì)減少CO2氣體本體的含量，同時(shí)還會(huì)增大上能級(jí)的消激發(fā)過(guò)程。放電過(guò)程中N2極易與CO2分解出來(lái)的氧原子結(jié)合形成負(fù)電性氣體N2O、NO2等氮化物，使001能級(jí)粒子消激發(fā)CO是極性分子，在選擇激發(fā)001方面它要比N2差些，但它不會(huì)產(chǎn)生有害氣體，而且還可以抑制CO2分子的離解。國(guó)外也有用CO替代N2，只要?dú)怏w配比適當(dāng)，輸出功率不會(huì)降低多少，相應(yīng)激光器的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命還有所增長(zhǎng)He是質(zhì)量小、熱導(dǎo)率高（14.38×104Jcm1，s-2.K）的氣體。對(duì)以管壁水冷卻方式來(lái)降低管內(nèi)氣體溫度的封離型CO2激光器來(lái)說(shuō)，如在工作氣體中加入大量He可大大提高放電管中心處的熱量向管壁傳遞的速率，使管內(nèi)氣體溫度明顯下降，達(dá)到減少下能級(jí)的粒子和增快它們弛豫的效果。它的存在也減少了其他氣體或管壁與001能級(jí)粒子的碰撞機(jī)會(huì)，緩沖上能級(jí)粒子的消激發(fā)速率，從而改善激光的輸出特性在小型封離式CO2激光切割加工激光器中加人適量的Xe，可提高輸出功率20%-30%，能量轉(zhuǎn)換效率提高10%~15%。
這是因?yàn)楣軆?nèi)的Xe電離電位較低（12.127eV），若在管內(nèi)注人少量的X可增加管內(nèi)電離度降低電子平均能量既能提高上能級(jí)00°1的激發(fā)速率，又可防止CO2分子的離解在CO2+He+N2的混合氣體中加入少量的H2O或H2能加速激光下能級(jí)的弛豫速率，使輸出功率有所提高。H2O分子彎曲振動(dòng)能級(jí)010（1596cm-1）與CO2（10°0）能級(jí)（1388cm-）很接近能量差在平均動(dòng)能kT范圍之內(nèi)，所以發(fā)生諧振碰撞的概率很大。若CO2（100）粒子與CO2碰撞需5×10次才能到基態(tài)，那么，與H2O分子碰撞只要幾次就可弛豫基態(tài)。此外H2O或H2還可以延長(zhǎng)激光器件的工作壽命。因?yàn)樵诜烹娺^(guò)程中水蒸氣可以分解為H原子和OH基，后者極易與CO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CO2分子?？朔蚋吣茈娮臃纸馑鶎?dǎo)致的CO2氣體濃度的減小既保證了輸出功率又延長(zhǎng)了器件的壽命。不過(guò)，H2O或H1的含量要嚴(yán)格控制。它們除對(duì)CO2（010、090）的弛豫有效之外，對(duì)CO2（001）的消激發(fā)作用也很顯著。
反應(yīng)過(guò)程如下CO2（01）+H2QO（0O0）→CO2（010）+H2O（010）+87cm所以，在CO2激光系統(tǒng)中一般不直接加水蒸氣，而是加H2使其與CO2分解出的O原子生成OH基或在器件內(nèi)部裝入氟石以提供飽和水蒸氣（26Pa左右）。有時(shí)什么都不加，就靠制備的CO2中所含的微量水蒸氣。現(xiàn)在有許多CO2激光器開始用Ar替代價(jià)格昂貴的He以降低成本。Ar的電離電位比He低，使用它可使管內(nèi)電子溫度降低，有利于001能級(jí)的激發(fā)，但Ar質(zhì)量較大，導(dǎo)熱率不如He，所以它只適于在流動(dòng)型、橫向激勵(lì)的CO2激光器中使用。同一個(gè)器件，其輸出的效果不如充He器件以上所述都是對(duì)激光輸出有益的輔助氣體。然而，在激光器的混合氣中常常還含有其他體，尤其是有機(jī)蒸氣如乙醚、酒精油蒸氣等，它們對(duì)激光是有害無(wú)益的。因?yàn)樗鼈兎纸饽芰康停紫碾娮拥哪芰?，分解出的產(chǎn)物又常與CO2分子結(jié)合成化合物減少CO2氣體的含量，使功率下降，器件壽命縮短。所以，為保證激光器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在對(duì)使用的輔助氣體選擇和控制含量的同時(shí)，還要對(duì)氣體的純度提出要求。
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