定义
基于气体混合物的红外激光器，其中光被二氧化碳分子放大。
CO2激光器(二氧化碳激光器)是一种长波长红外光谱区发射的分子气体激光器。 它基于气体混合物作为增益介质，其中含有二氧化碳（CO2）、氦(He)，氮(N2) ，可能还有一些氢气（H2）、氧气（O2）、水蒸气和/或氙气（Xe）。 这种激光器通过气体放电进行电泵浦，气体放电可以在直流电流、交流电流（例如 20-50 kHz）或射频 （RF） 域中运行。
虽然直接激发CO2分子进入上部激光能级是可能的，事实证明，使用来自氮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亚稳振动水平，并将其激发能量转移到CO2分子与它们碰撞时。 退出的 CO2然后分子在很大程度上参与激光跃迁。 氦气既可以减少较低的激光水平，也可以去除热量。 其他成分，如氢或水蒸气可以帮助（特别是在密封管激光器中）将一氧化碳（CO，在放电中形成）再氧化为二氧化碳。
图1：密封管二氧化碳激光器的示意图设置。气管有布鲁斯特窗户，是水冷的。
谱线
CO2激光通常以 10.6 μm 的波长发射，但在 9-11 μm 的范围内（特别是在 9.6 μm）还有数十条其他激光线。 这是因为 CO2分子的两种不同振动状态可以作为较低的能级，对于每个振动态，都有大量的旋转态，导致许多子能级。 在 Δ J = ±1 的情况下，偶极子跃迁（唯一具有相对高强度的）是可能的，其中 Δ J = 1（R 分支）导致更高的光子能量（较短的波长）， Δ J = −1（P 分支）导致更低的能量：
- 强带的跃迁涉及两个可能的最终振动水平之一，其P分支约为10.6μm，P20是主要转变，R分支约为10.2μm。
- 另一个波段的跃迁使P分支约为9.6μm，R分支约为9.3μm。
在激光谐振器中具有合适的波长调谐元件，CO2激光可以在十几个跃迁中的一个上发光，每个分支中具有相对紧密的波长间隔，但由于分子的离散旋转状态，连续的波长调谐是不可能的。 如果谐振器中没有波长选择元件，人们可能会在几个跃迁上同时获得激光，或者在操作过程中偶尔跳到其他跃迁。
非标准发射波长使CO2适用于其他应用领域的激光器。
虽然大多数市售CO2激光器以 10.6 μm 的标准波长发射，有些设备专门针对其他波长（例如 10.25 μm 或 9.3 μm）进行了优化，这些设备更适合某些应用，例如在激光材料加工中，因为辐射在某些材料（例如聚合物）中吸收得更多。 为了制造这种激光器并使用其辐射，可能需要特殊的红外光学器件，因为标准的透射式10.6μm光学器件可能会表现出太强的反射。
所有CO2激光发射线可以被认为是在长波长红外区域，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。 功率转换效率可以在10%到20%左右，即，它高于大多数气体激光器（由于特别有利的激发途径），也高于灯泵浦固态激光器，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，一氧化碳2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，一氧化碳2激光引发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相对安全。
CO2激光类型
CO2激光器的家族是非常多样化的:
- 对于几瓦到几百瓦之间的激光功率，通常使用密封管或无流量激光器，其中激光孔和气体供应包含在密封管中。 废热通过扩散（氦气具有相当有益的作用）或缓慢的气流输送到管壁。 这种激光器结构紧凑，坚固耐用，可轻松达到数千小时或更长时间的使用寿命。 在这里，需要采用连续再生气体的方法，特别是通过CO的催化再氧化来抵消CO2的解离。光束质量可以非常高。
- 高功率扩散冷却板条激光器（不要与固态板条激光器混淆）将气体置于一对平面水冷射频电极之间的间隙中。 如果电极间距与电极宽度相比较小，则多余的热量通过扩散有效地传递到电极。 为了有效地提取能量，人们经常使用不稳定的谐振器，在高反射镜的侧面进行输出耦合。 几千瓦的输出与合理的光束质量相结合。
- 快速轴流激光器和快速横向流激光器也适用于多千瓦连续波输出功率和高光束质量。 多余的热量被快速流动的气体混合物带走，该混合物通过外部冷却器（热交换器），然后再次用于排放。 气体可以连续再生，偶尔更换。 横向流激光器达到最高的输出功率，但通常具有较低的光束质量。
- 横向激发气氛（TEA）激光器具有非常高（约大气压）的气体压力。 由于纵向放电所需的电压过高，因此横向激励是沿着管子通过一系列电极完成的。 TEA激光器仅在脉冲模式下运行，因为气体放电在高压下不稳定。 它们通常产生低于 100 W 的平均输出功率，但也可以用于数十千瓦的功率（结合高脉冲重复率）。
- 有气体动态CO2激光器（一种化学激光器）用于多兆瓦功率（例如用于反导弹武器），其中能量不是由气体放电提供，而是由一种火箭发动机中的化学反应提供。
这些概念导致了完全不同的激光架构，在输出功率潜力、光束质量、气体消耗和设备寿命方面具有特定的优势和劣势。
CO2激光器的应用
CO2激光器被广泛用作激光材料加工的工业激光器，特别是
- 切割和结构化塑料材料、木材、模具板、玻璃片等，在 10.6 μm 时表现出高吸收性，主要应用 20-200 W 的中等功率水平
- 切割、焊接和熔覆不锈钢、铝或铜等金属，应用数千瓦功率
- 各种材料的激光打标
- 激光淬火，例如钢制机器零件
- 电子产品中的激光焊接
- 高分子材料的激光3D打印
其他应用包括激光手术（包括眼科）、测距（LIDAR）和光谱学。
与固态激光器的竞争
CO2用于激光材料加工（例如金属的焊接和切割或激光打标）的激光器与在1μm波长范围内工作的固态激光器（特别是YAG激光器和光纤激光器）竞争。 这些较短的波长具有在金属工件中更有效地吸收以及通过光缆传输光束的潜力的优点。 （没有用于高功率 10 μm 激光束的光纤。 此外，只要光束质量高，1 μm光束可以更紧密地聚焦。 然而，后一种潜力通常无法用高功率灯泵浦激光器实现，二极管泵浦激光器往往更昂贵。 关于吸收，一氧化碳2激光束实际上对某些材料（如聚合物和陶瓷）非常有利。 即使吸收不如固态激光器，CO2激光可能是一种相对便宜和强大的解决方案。 然而，一个重大的缺点是没有用于CO2激光辐射的高功率光纤电缆。
CO2激光仍然广泛用于切割和焊接业务，特别是厚度大于几毫米的零件，其销售额仍占全球激光销售额的很大一部分。 由于高功率薄盘激光器和先进光缆的发展以及利用此类激光器高光束质量的技术相结合，这种情况在未来可能会有所改变。
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