自推出以来的这三十年间，二氧化碳激光器已成为工业激光器中的主力产品。如今，它有多种设计和尺寸可供选择，输出功率可达 20 千瓦及以上。
尽管二氧化碳激光器与钕钇铝石榴石激光器共同承担着工业应用的任务，但它们被用于不同的领域和加工方式。这种分工部分是由于两者各自具备不同的加工优势，部分则是由于传统习惯所致。
二氧化碳激光器主要用于切割作业，但焊接应用在增长率方面具有最大的发展潜力，这得益于成本效益高的高功率光束源的引入，这些光源能够实现更深的穿透和更高的加工速度。此外，将激光焊接引入特定工业流程的障碍正在逐渐消除。
二氧化碳激光器的发射波长为 10.6 微米，其电能转换效率约为 10%至 15%。其气体混合物主要由氦气组成，以确保热量的散发，同时还包含二氧化碳（作为激光活性介质）和氮气，其中气体放电会产生激发所需的能量。
在材料加工过程中，热量的散发（输入电能的 85%至 90%）通常是通过热交换器来实现的，气体通过涡轮机、鼓风机或交叉流风扇被泵入其中。这些激光器可以分为轴流式和交叉流式两类，并且还可以根据谐振器的几何形状来分类：单个或多个折叠结构，呈方形或三角形形状。
对于轴流式和横流式激光器而言，需要持续供应新鲜气体以保持足够的效率，从而实现最佳运行效果。而无气流激光器（其中放电腔内的激光气体仅通过热传导方式冷却）通常在较低功率下使用。
图 1.二氧化碳激光器的工作原理
一种扩散冷却型高功率二氧化碳激光器，即所谓的板式激光器，因其基本设计所具有的诸多优势，有望在许多应用中取代流动气体激光器。这种设计同样适用于低功率板式激光器，唯一的区别在于其密封的气体充填管。
进一步的分类则反映了能量输入的类型。在直流激光器中，电能通过金属电极直接与气体耦合，而在电极之间会形成气体放电现象。在轴流激光器中，这种放电发生在流动的方向上；而在横流激光器中，放电通常垂直于气体流动方向以及谐振器轴线方向发生。
直流激光器生产成本低廉，且整体效率较高，因此在众多应用领域中都是最具经济性的选择。
射频激励
另一种将电能转化为气体能量的方式是射频（RF）。在大多数射频激光器中，放电方向与谐振器轴线垂直。通过调节功率，这类激光器能够在较宽的功率范围内进行调节，并以高重复性实现脉冲输出。其缺点——整体效率降低——是可以接受的，尤其是对于功率大于 2 千瓦的激光器而言，因为直流激光器的电极磨损会导致更多的维护工作。
较老的射频发生器由一个产生射频的振荡器和一个放大管组成。而现代的射频发生器则设计为自振荡器，仅由一个射频放大管构成。由于其结构简单，与振荡器/放大器式发生器相比，射频发生器具有更高的可靠性，维护成本低，并且在运行成本较低的情况下能实现更高的激励效率。
谐振器的设计也根据光路的类型进行分类。如果光只能通过部分透明的反射镜从腔体中逸出，那么这种谐振器就被称为光学稳定的。如果谐振器的反射镜是完全反射的，并且其几何结构设计使得光能够从其中一个反射镜之后逸出，那么这种谐振器就被称为光学不稳定的。
光学稳定谐振器的热稳定性受到输出镜热效应的限制，尤其是对于功率较大且光束直径较小的激光器而言。在这种情况下，可以使用不稳定谐振器，但其对偏移的敏感性可能会导致显著的功率损失。
由于光学不稳定谐振腔能够轻松适应受激激光活性介质的几何形状，这一概念已被应用于二氧化碳板式激光器的设计中。通过将一个热稳定的金刚石窗口置于谐振腔内以传输光束，以及使用由热导材料制成的表面冷却反射镜，即使在板式激光器的高光束强度下也能保证极高的热稳定性。
如果在谐振镜之间的光路中存在反射镜，那么这种激光器就被称作折叠式谐振器。这种结构能产生更紧凑的光束源，并实现确定的偏振状态。
注意点
在设计二氧化碳激光器时应遵循以下规则：光束直径越大，对光学系统的热应力就越小。这会延长其使用寿命。在谐振腔中应尽可能少用反射镜，因为设计越简单，投资、运行和维护成本就越低。
在其中气体沿谐振器轴线垂直流动的二氧化碳激光器被称为交叉流激光器。在这种设计中，相对较慢的气体流会将热量从较大的放电腔带走。只有在多折反射谐振器中的两个反射镜之间才能产生光功率。因此，通过这种方式可以生产出价格合理、结构紧凑且高功率的激光器，其光束功率和光束质量（多模，K > 0.14）非常适合大多数焊接应用。
除了适用于激光焊接应用之外，交叉流二氧化碳激光器还具有以下优点：
该激光气体循环系统不使用通常需要每 8000 至 10000 小时就需更换一次的石英玻璃管。
与输出功率相似的轴流式激光器相比，其运行成本要低得多，这是因为其能耗和气体消耗都较低。
其设计简洁，仅有少数部件易磨损。此外，低速的切向式鼓风机具有良好的可靠性，这对于自动化生产线而言尤为重要。
大多数二氧化碳激光器采用快速轴向流动原理，因为该原理能够为大多数切割应用提供所需的光束质量。在这一技术中，放电发生在一根管内，管内气体混合物以高速流动，从而确保了有效的热量散发。
为了实现这种高流量，通常会使用根部鼓风机、径向鼓风机或涡轮机。图 3 显示，可以将几个功能段以光路形式串联起来，以增加谐振器中的功率，同时保持各个段的设计特性（即排放稳定性和流量条件）。通过这种方式，可以使用相同的基本元件组装出不同功率的激光器。
图 2.高速轴流式二氧化碳激光器
在 Rofin-Sinar公司研发高速轴流式高功率二氧化碳激光器时，我们的目标是保持谐振腔的设计简洁，使用较少的反射镜和光学元件，并实现 45°的偏振（通过专利的谐振腔结构实现）。该谐振腔具有光学稳定性，从而避免了衍射损耗（功率高达 20 千瓦）。
具有从几百瓦到超过 20 千瓦输出功率的快速轴流式二氧化碳激光器是可行的。几乎所有快速轴流式激光器的一个典型特征是将控制单元和激光头分开，其中激光头包含产生光束、气体循环和冷却所需的组件。
在最初的二氧化碳激光器中，气体混合物被封闭在放电管内。尽管外部管壁得到了有效的冷却，但每米管长所能产生的光束功率却只有约 50 瓦。这使得紧凑型高功率激光器的建造受到了限制。
图 3. 渗透冷却式二氧化碳激光器
与现代高速激光器相比，平板激光器的体积要小得多。在这些功率范围从 1 千瓦到 8 千瓦的激光器中，会在两个具有大表面积的铜电极之间产生射频气体放电。电极之间的狭小间隙使得放电腔内的热量能够通过水冷电极进行最大程度的散发，从而产生相对较高的功率密度。不稳定的谐振腔使用圆柱形反射镜，并能产生高度聚焦的光束。在外部的水冷反射型光束整形组件中，矩形光束会转变为具有旋转对称性且光束质量 K > 0.9 的光束。
这种激光器的另一个显著优势在于其几乎零的气体消耗量。与流动式气体激光器不同，新鲜的激光气体只需在特定的时间间隔内添加即可。在激光器头部放置有一个容量为 10 升的气体混合物储罐，该储罐可使用超过一年，从而无需外部气体供应以及定期更换储罐的繁琐流程。
容易集成
较小的激光头便于与加工设备集成，并使带有可移动部件的系统成为可能。对于大型龙门式设备（如用于船舶或工厂建设的设备），能够确保在整个工作区域内获得最佳的光束质量。这在切割应用中具有特别重要的意义。
该技术的主要优点包括：结构紧凑且几乎无磨损；光束质量高；无需气体热交换器；光损耗低；热稳定性极高；气体消耗量低且无需外部气体钢瓶；无需气体流动，因此不会对谐振器光学元件造成污染；并且维护成本低。
密封式二氧化碳板式激光器采用的是完全相同的技术。它们都是密封式的，这使得气体更换周期内的运行时间超过 20，000 小时。这类激光器主要用于切割织物、玻璃和陶瓷，其输出功率范围在 25 至 600 瓦之间。
各种各样的激光技术及系统能够为众多工业生产任务提供解决方案。这种复杂性，再加上对所有解决方案的优缺点的了解，为针对每个具体应用配置最佳解决方案奠定了基础。
首先需要考虑的是对于所需生产质量和效率而言至关重要的技术标准。然后，可以根据经济标准对技术上合适的系统进行评估，以找到最适合该应用的激光系统。通过这种评估，公司不仅可以实现预期的产品和生产创新，还能降低投资、运营和维护成本。
