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研究团队利用CO2激光器在红外光谱区产生单色相干性辐射

近日,国外团队宣布成功研发出一种低成本的二氧化碳(CO2激光系统。该系统的特别之处在于,它能够在红外光谱区域中产生单色的相干性辐射。

该团队包括了来自美国内布拉斯加大学林肯分校物理与天文学系极光实验室、巴基斯坦拉合尔管理科学大学(LUMS)物理系激光开发组(GoLD)的研究人员,他们利用ZEMAX光学工作室的相关资源,对这种激光腔进行了设计和研制。

据悉,他们设计了一种开关型高压泵源,使用回飞变压器来检测不同节点位置的电压行为。为了消除激光活动产生的余热,研究人员们还构建了一个使用热电冷却器的冷却系统原型。

CO2激光器能够产生大量的热量,并在红外波段工作,从而实现一系列场景的应用,是最吸引人、最有效、最有用的激光器类别之一。

近年来,超脉冲CO2激光器已广泛应用于各种医美、工业场景中,将处理效率提升到一个新的水平。尤其是在工业应用场景中,提高效率和操作可靠性是至关重要的,最常见应用于材料切割,而CO2激光切割能够带来一系列的处理优势——比如精度高、切口宽度小、表面光滑干净。

当下,尽管CO2激光器的效率相较以往已经有所提升,但商用激光器的购买成本仍然相对昂贵,许多小型企业和学术机构买不起商用的二氧化碳激光器。

为突破这一瓶颈,Naeem等人演示了低成本、中等功率CO2激光系统的设计、构造和表征。研究人员使用密封管高压泵源和一个带有热电冷却器的原型冷水机,开发出了一个低成本的密封管中功率(40 W) CO2激光系统,而且这种方法也非常简单和经济有效。

他们先是利用反激变压器和驱动电路,创建了一个高压泵源,从而在千伏特(8 kV到30 kV)范围内在腔内产生必要的高压。

之后,他们又利用热电冷却器和小铝块设计并构建了一个保持激光腔内温度恒定的冷却系统原型。改冷却系统以每分钟0.7℃的速度降低了8℃的水温,这足以抵消管子产生的热量,并在较长时间内保持稳定。

实验过程中,他们将两个气体吸收单元放入CO2激光系统的激光腔内,并对其进行了测试。结果表明,选择核实的吸收气体,能够使高功率脉冲操作的波长范围覆盖9.08 μm-10.6 μm,重复频率高达100 kHz。该激光器能在单轴向模式下工作,在功率剖面的高度具有超过100 kHz的频率稳定。峰值功率范围达到0.1-5瓦之间。

最后,研究人员还创造了一个高功率24通道的径向阵列平板射频刺激CO2激光器——Zodiac geometry,这种激光器能够实现四种工作模式(单发、连续波、周期脉冲和处理速度相关功率),单个激光束的最大输出功率为15太瓦。

该团队对不同激光输出功率下冷却系统的有效性、性能分别进行了研究。结果表明,在激光器长期运行过程中,冷却系统仍然能够保持稳定,从而保持了腔内温度基本恒定不变。随着更多的电流流过管道,外加电压的增加会导致激光功率的增强。

他们在不同功率下对粉色盐岩、木材和丙烯酸板(PMMA)的穿透率进行了研究。结果表明,随着输出功率的增加,上述CO2激光器发射的光束对材料的穿透率不断提高。


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