1964年由Patel在CO2氣體放電中，獲得了波長在10.4微米和9.4微米附近的連續(xù)激光輸出，世界上第一臺CO2分子的激光器誕生了。它有比較大的功率和比較高的能量轉(zhuǎn)換效率。它是利用CO2分子的振動-轉(zhuǎn)動能級間的躍遷的，有比較豐富的譜線，在10微米附近有幾十條譜線的激光輸出。其在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、科研等方面得到了廣泛的應用，給我們的實現(xiàn)生活帶了許多便利。

         1966年氣動CO2激光器誕生了，從此CO2激光器受到了極大的關(guān)注。由于激光技術(shù)中氣動技術(shù)的引進，CO2激光器開辟了廣闊的運用前景。伴隨著科學技術(shù)的進步，世界各國的激光技術(shù)也得到了相應的發(fā)展，二氧化碳激光器是目前連續(xù)輸出功率較高的一種激光，它發(fā)展較早，商業(yè)產(chǎn)品較為成熟，被廣泛應用到材料加工、醫(yī)療使用、軍事武器、環(huán)境量測等各個領(lǐng)域。在激光的發(fā)展和應用方面，CO2激光器的制作和應用較早也較多，早在1970年代末期，就有從國外直接進口CO2激光器，從事工業(yè)加工和醫(yī)療等應用。從80年代末期開始，CO2激光器被廣泛引進并應用在在材料加工領(lǐng)域。

       CO2激光的激發(fā)過程，主要的工作物質(zhì)由CO2，氮氣，氦氣三種氣體組成。其中CO2是產(chǎn)生激光輻射的氣體、氮氣及氦氣為輔助性氣體。加入的氦有兩個作用：一個是可以加速010能級熱弛預過程，因此有利于激光能級100及020的抽空；另一個是實現(xiàn)有效的傳熱。氮氣的加入主要在CO2激光器中起能量傳遞作用，為CO2激光上能級粒子數(shù)的積累與大功率高效率的激光輸出起到強有力的作用。 

        泵浦采用連續(xù)直流電源激發(fā)。它的直流電源原理：直流電壓為把接入的交流電壓，用變壓器提升，經(jīng)高壓整流及高壓濾波獲得高壓電加在激光管CO2激光器是一種效率較高的激光器，不易造成工作介質(zhì)損害，發(fā)射出10.6μm波長的不可見激光，是一種比較理想的激光器。按氣體的工作形式可分為封閉式及循環(huán)式，按激勵方式分電激勵，化學激勵，熱激勵，光激勵與核激勵等。在醫(yī)療中使用的CO2激光器幾乎百分之百是電激勵。 

        CO2激光器的基本工作原理：與其它分子激光器一樣，CO2激光器工作原理其受激發(fā)射過程也較復雜。分子有三種不同的運動，即分子里電子的運動，其運動決定了分子的電子能態(tài)；二是分子里的原子振動，即分子里原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動——并決定于分子的振動能態(tài)；三是分子轉(zhuǎn)動，即分子為一整體在空間連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，分子的這種運動決定了分子的轉(zhuǎn)動能態(tài)。分子運動極其復雜，因此能級也很復雜。 

        CO2激光器產(chǎn)生激光：在放電管中，通常輸入幾十mA或幾百mA的直流電流。放電時，放電管中的混合氣體內(nèi)的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來。這時受到激發(fā)的氮分子便和CO2分子發(fā)生碰撞，N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子，CO2分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生激光。

         與其它激光器相比，CO2激光器具有較好的方向性、單色性和較好的頻率穩(wěn)定性。而氣體的密度小，不易得到高的激發(fā)粒子濃度，因此，CO2氣體激光器輸出的能量密度一般比固體激光器小。CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會超過40％，9 這就是說，將有60％以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級的消激發(fā)和激光下能級的熱激發(fā)，這都會使粒子的反轉(zhuǎn)數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的CO2分子濃度。這些因素都會使激光器的輸出功率下降，甚至產(chǎn)生“溫度猝滅”.

        激光技術(shù)在軍事上應用中，在這近幾年里，CO2激光器在這方面得到了穩(wěn)步的發(fā)展。 激光武器作為一種新概念武器,與傳統(tǒng)常規(guī)武器相比,以其速度快,方向性好,能量密度高,作戰(zhàn)耗費比高等優(yōu)點,成為新世紀武器中的新寵.高能激光武器在軍事應用的方面扮演著越來越重要的角色,代表著未來武器的發(fā)展方向,將徹底改變目前的戰(zhàn)場環(huán)境和作戰(zhàn)方式,使未來戰(zhàn)爭的形態(tài)發(fā)生了深刻變革.高能氣動CO2激光器輸出功率大,曾被各國設(shè)計用于研制高能激光武器。 激光導彈防御或稱激光反導的基本特征是：用由光速的高能激光去摧毀聲速運行的導彈或其它飛行固體。我們可以說這方面是CO2激光器的天下，因為它有一些突出的優(yōu)點。目前在陸軍中采用的陸基小型激光反導系統(tǒng)、空軍采用的機載激光反未來的CO2激光武器主要的特點是超高功率和高便攜性。高能激光器是未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)的重要組成部分，將在反監(jiān)視、主動保護、防空和清除暴露地雷等方面做出貢獻。高便攜性將使單兵作戰(zhàn)的能力大極大的提高，充分發(fā)揮每一個兵的作用，當然目前這個想法還是僅僅處于理論階段。目前各國的激光武器都朝著這個方向努力，當然這個實導系統(tǒng)和海軍采用的艦載激光反導系統(tǒng)中都是使用高能CO2激光器。

        近20年來激光技術(shù)在醫(yī)療有著飛速的進步，許多疾病和先天性的疾病都可以被成功地根治。 CO2激光手術(shù)采用的是自由光束CO2激光器，通常都是采用光束與皮膚組織非接觸的方式，比常規(guī)手術(shù)提供了更多便利的條件，包括減少機械損傷，增加周圍組織被保護等，并且更易保持無菌手術(shù)，與其他激光手術(shù)相比，CO2激光手術(shù)刀具有切割能力強，組織吸收系數(shù)大，組織穿透濃度較?。s0.23mm），手術(shù)時不易傷及動脈血管等，使得連續(xù)CO2激光被大量用于外科手術(shù)臨床治療。 但是連續(xù)CO2在臨床上對組織的損傷屬非選擇性的，手術(shù)治療后常常伴隨著皮膚疤痕等副作用。對病灶進行的切割或氣化時也有不同程度地損傷正常組織，因而不能適用于有較高要求的手術(shù)治療，這種情況嚴重地限制了CO2激光在醫(yī)療中的進一步應用。 

       1983年，Aderson和Parrish提出了“選擇性光熱作用”原理，以進行激光的無損傷治療。這一原理的要點是：當激光通過正常組織到達病變靶組織時，應使靶組織對激光的吸收系數(shù)大于正常組織，其反差愈大愈好，以便在激光破壞靶組織時，不傷及正常組織；靶組織的熱弛豫時應大于激光的脈沖寬度或作用時間，使靶組織在激光加熱過程中，來不及將熱量向周圍正常組織擴散，以保護周圍正常組織。 基于“選擇性光熱作用”原理，90年代后出現(xiàn)了以超脈沖CO2激光治療機為代表的高能量脈沖醫(yī)療設(shè)備，并得到成功的應用，使得要求較高的應用領(lǐng)域得到突破性進展，特別是激光美容方面獨占鰲頭。發(fā)展前景十分廣闊。  

          超脈沖CO2激光器采用先進的脈沖技術(shù)和PWM電源控制技術(shù)，不僅能在極短時間內(nèi)提高了激光輸出的峰值功率，向靶組織提供足夠的能量，而且可以通過PWM信號精確控制每個脈沖的寬度和脈沖重復頻率。通過計算靶組織的熱弛豫時間，控制脈沖寬度可實現(xiàn)最佳手術(shù)效果。如毛細血管的熱弛豫時間約為10μs，要求脈寬小于10μs；皮膚組織的熱弛豫時間大致為1 ms，要求做皮膚磨削除皺的激光儀的脈寬小于1 ms?，F(xiàn)代激光儀與10余年前的激光儀的最大區(qū)別正是在于對脈寬的精確控制，這是現(xiàn)代激光治療安全性的根本保證。 超脈沖CO2激光治療機不但有連續(xù)CO2激光手術(shù)刀的共同特點，12 還具有本身的優(yōu)點，可輸出高能量高重復頻率的的脈沖激光，可滿足“激光選擇性光熱作用”的操作要求，可以迅速有效地去除病變靶組織，最大限度地減少激光對正常組織的損傷，大大提高了醫(yī)學臨床的準確性和安全性。臨床實踐證明，在進行同一種手術(shù)時脈沖激光所使用的激光功率要比連續(xù)激光低得多，因而由激光手術(shù)引起的組織反應較輕，對周圍組織的損傷小，也縮短時間，治療時產(chǎn)生煙霧少，視野清晰。 超脈沖CO2激光器已經(jīng)廣泛應用于耳鼻喉科（Otorhinolaryngology），婦科醫(yī)學（Gynecology），神經(jīng)外科（Neurosurgery），一般手術(shù)（General Surgery），美容學（Aesthetics）。微橋點陣治療（Bridge Therapy）技術(shù)推出者Lumenis醫(yī)療激光公司已經(jīng)研究并生產(chǎn)了各種CO2激光治療儀，像NovaPulse Series可用于耳鼻喉科和美容學，其他還有波蘭的CTL公司生產(chǎn)的MODEL CTL1401是一款手術(shù)儀，日本NANO LASER的GL－Ⅲ可用于口腔科的CO2激光治療儀，目前國內(nèi)已有5個國家級激光技術(shù)研究中心，十幾個產(chǎn)品研發(fā)機構(gòu)。醫(yī)療激光設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)主要集中在上海，武漢，長春，北京，成都等城市或是周邊地區(qū)。例如擁有CO2激光治療技術(shù)的上海激光研究所，上海嘉定光電儀器有限公司，廣州市激光技術(shù)應用研究所，（不列出全部，排名不分主次）。中國的激光醫(yī)療技術(shù)與西方相比水平并不低，且中國有13億人口，故激光醫(yī)療器械的潛在需求巨大，今后10年，我國激光醫(yī)療器械市場將迎來一個新的繁榮期，超脈沖CO2激光將在這一大浪中起舉足輕重的地位。

           激光切割技術(shù)廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。激光切割是應用激光聚焦后產(chǎn)生的高功率密度能量來實現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割質(zhì)量、高的切割速度、高的柔性(可隨意切割任意形狀)、廣泛的材料適應性等優(yōu)點。  激光切割技術(shù)分為金屬切割是CO2激光切割的最大支柱領(lǐng)域，目前從經(jīng)濟上考慮，一般用大功率激光切割機按加工站形式提供代工，隨著國內(nèi)中功率CO2激光器的成熟，各個鈑金廠會自購激光切割機，需求會大增。非金屬切割應用于刀模板切割，木材和高密度木質(zhì)纖維板切割，塑膠切割。激光焊接是一種材料連接方法，主要是金屬材料之間連接的技術(shù)。它和傳統(tǒng)的焊接技術(shù)一樣，通過將連接區(qū)的部分材料熔化而將兩個零件或部件連接起來。因為激光能量高度集中，加熱、冷卻的過程及其迅速，一些普通焊接技術(shù)難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強的材料，用激光很容易實現(xiàn)。另一方面，在激光焊接過程中無機械接觸，易保證焊接部位不因受力而發(fā)生變形，通過熔化最小數(shù)量的物質(zhì)實現(xiàn)合金連接，從而大大提高焊接質(zhì)量，提高生產(chǎn)率。激光焊的焊縫深度比大，而焊縫熱影響區(qū)極小，質(zhì)量好。 例如：金屬薄板的焊接，中功率CO2激光器適合焊接1mm以下厚度的金屬薄板,如汽車部件，發(fā)電機、刮水機、啟動機、舉窗機等經(jīng)常使用到的層疊狀的硅鋼片的固定,過去采用打孔銷釘固定，現(xiàn)在可以激光焊接。 電池焊接，鋰電池的生產(chǎn)工序如極耳焊接、安全閥焊接、負極焊接、外殼密封焊接使用激光焊接為最佳工藝，需要配備的激光焊接機的品種和數(shù)量十分巨大。精密儀表零件的激光焊接需求也在增大，如不銹鋼壓力膜片的焊接、航空儀表外殼的焊接。

        CO2激光器從誕生到現(xiàn)在的近50年時間里一直被人類所關(guān)注，二氧化碳激光器是以CO2氣體作為工作物質(zhì)的氣體激光器。CO2激光器是一種比較重要的氣體激光器，目前對CO2激光器的研究方向主要朝以下幾個方面： 對于CO2激光器本身其效率還是相對較低的。1964年，通過使用N2，轉(zhuǎn)換效率達到3%；1965年，通過使用CO2-N2-He混合氣體，轉(zhuǎn)換效率達到6%。到目前為止，其最高效率也不會超過60%。在效率提高方面許多公司研究，已美國大通公司為例，研究的CO2激光器的效率已達到60%左右。國內(nèi)研究較好的公司大都具有軍方背景，目前效率已接近國外水平，代表公司為北京中科思遠光電科技。  目前大部分的CO2激光器功能單一，只能夠從事某一項非常具體的工作。我們知道大型醫(yī)院里使用的CO2祛斑激光器和CO2除毛激光器，他們的體積都非常的龐大，但是結(jié)構(gòu)基本相同。使用多功能CO2激光器的話，占用的體積小，而且售價相對也低了許多。在這個方面國內(nèi)的研究處于國際水平了，當然研究機構(gòu)大都是具有醫(yī)院背景的。高功率一直都是軍方的追求目標，在這方面國內(nèi)的一些軍工企業(yè)的研究水平還是相對落后。美國空軍最早開始著手研究高功率CO2激光器。1975年，也就是CO2誕生的十一周年，美國空軍醫(yī)研制出功率達到30KW級別的CO2激光器。1988年，研究的CO2激光器的輸出功率已達到380KW。目前根據(jù)美國軍方公布的部分數(shù)據(jù)，研制的CO2激光器輸出功率已達到千萬瓦級別。 

      CO2激光器在激光加工方面占主導地位，它廣泛的用于焊接，切割，熱處理和清洗等方面，輸出激光的質(zhì)量和功率都有很明確的要求。因此，工業(yè)中的CO2激光器要有高質(zhì)量的激光光束和穩(wěn)定的輸出功率。在這個方面我們一直跟在國外公司的后面，畢竟我們在工業(yè)方面的研究晚了近十年。在企業(yè)中，使用較多的CO2激光器為美國的大通公司所生產(chǎn)的。 激光應用已經(jīng)遍及光學、醫(yī)學、原子能、天文、地理、海洋等領(lǐng)域，它標志著新技術(shù)革命的發(fā)展。如果將激光發(fā)展的歷史與電子學及航空發(fā)展的歷史相比，你不得不意識到現(xiàn)在還是激光發(fā)展的早期階段，更令人激動的美好前景將要來到。 

         高功率橫流CO2激光器，用于激光加工和熱處理，激光器的整機呈一體化的箱體。箱體的上箱體中置有一體化的放電室、熱交換器、風機系統(tǒng)、進出口導流器以及光學諧振腔，箱體的下箱體中置有激光電源、充放氣系統(tǒng)、真空泵、鎮(zhèn)流電阻箱和控制盒。與已有技術(shù)相比具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝調(diào)試和維修方便、激光器的工作效率高，整機的體積可以小型化的特點。它主要應用于金剛石工具、汽車齒輪、汽車安全氣囊氣體發(fā)生器等焊接中的應用，激光表面淬火與熔覆工藝及其在鋼鐵軋輥表面熔凝淬火、石油化工零件表面修復等方面的特殊應用。  為滿足激光測距、環(huán)境探測、空間通訊及激光與物質(zhì)相互作用機理研究等領(lǐng)域應用要求，研制了聲光調(diào)Q C02激光器。針對影響聲光調(diào)Q CO2：激光器輸出的各種因素，利用調(diào)Q脈沖激光器速率方程對該激光器輸出的主要技術(shù)參數(shù)進行了理論分析和計算，提出了聲光調(diào)Q CO2：激光器優(yōu)化設(shè)計的方法，并進行了驗證實驗。激光器脈沖重復頻率為lHz～50 kHz，在l kHz運轉(zhuǎn)時獲得的輸出激光脈沖寬度為180 ns，峰值功率為4062 W，與理論計算基本一致。結(jié)果證明：通過聲光晶體(AO)的優(yōu)選及諧振腔的合理設(shè)計?？蓪崿F(xiàn)小型CO2激光器的高重頻、窄脈寬，高峰值功率輸出，并可通過光柵選線的設(shè)計方式和TTL信號控制實現(xiàn)此類激光器的波長調(diào)諧和編碼輸出。為了使CO2激光器在工業(yè)加工及軍事上有更廣泛的應用,采用鋁合金拉制型材作為激光器殼體、盤裝電感代替?zhèn)鹘y(tǒng)線繞電感的結(jié)構(gòu)以及全金屬封接工藝等,研制出一種緊湊型長壽命射頻激勵波導CO2激光器.可連續(xù)輸出或在不高于20kHz調(diào)制頻率下脈沖輸出,最大輸出功率30W,實測工作壽命超過1500h,存儲壽命超過1.5a.結(jié)果表明,這種激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、輸出功率穩(wěn)定、工作壽命長、可連續(xù)及脈沖調(diào)制工作等特點,除了能滿足各種材料的加工,也可在軍事上應用。 它是一種新型便攜式橫向激勵大氣壓CO2激光器。該激光器采用4節(jié)5號充電電池直流供電,在1 Hz重復頻率條件下,可連續(xù)工作1 h.激光器整機(包括電源及控制系統(tǒng))尺寸為200 nm×200 mm × 360 mm,質(zhì)量小于8 kg.激光器使用紫外電暈預電離方式,放電均勻、穩(wěn)定.自由振蕩情況下,激光脈沖輸出能量達到35 mJ,輸出脈沖寬度為70 ns。 

        針對直升飛機發(fā)動機渦輪葉片采用連續(xù)激光熔覆出現(xiàn)裂紋及葉片變形的問題,在5 kW連續(xù)橫流CO2激光器上,采用新的電源控制方案,通過軟件及相關(guān)控制,實現(xiàn)了脈沖激光功率輸出.克服了采用高功率開關(guān)電源帶來的成本和穩(wěn)定性問題.且脈沖調(diào)制頻率可達到5 Hz,調(diào)制占空比可達到5%～100%.當采用4 kW峰值功率,4 Hz脈沖重復頻率,占空比為20%時,在發(fā)動機葉片K403合會表面進行合金粉末Stellite X-40的熔覆實驗.結(jié)果表明,熔覆后熱影響區(qū)比連續(xù)激光減少50%,硬度提高5%,界面結(jié)合性能與母材相當,無熔覆裂紋及葉片變形。