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普通的封離式CO₂激光器包括腔片架、放電管、電極和電源等幾部分。圖（1）是一種典型的結構示意圖。構成CO₂激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調節的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。全反射鏡為凹面鏡，輸出反射鏡一般為平面鏡，采用能透過10.6mm激光的紅外材料制成。通常用的紅外材料有兩類：一類是堿金屬的鹵化物鹽，例如，KCl、NaCl、KBr等晶體；另一類是半導體材料，如鍺、硅、砷化鎵等。

圖（1） 封離式CO₂激光器結構示意圖

1.平面反射鏡  2. 陰極  3.水冷管  4.儲氣管#p#分頁標題#e#  5.陽極

CO₂激光器的放電管多采用硬質玻璃制成，小型CO₂激光器的放電管孔徑一般是4~8mm，輸出功率大的孔徑通常在10mm以上。水冷套管放在儲氣管內部，使得支撐諧振腔外管的內徑很大，既可儲存大量氣體，又具有很好的機械穩定性。CO₂激光器中設置的回氣管可以將放電管的陰極和陽極空間連通，保證氣體分布均勻，壓強平衡。

CO₂激光器中與產生激光有關的CO₂分子能級圖如圖（2）所示。由圖可見，相應于10.6mm波長的能級躍遷是(00⁰1)® (10⁰0)，相應于9.6mm 波長的能級躍遷是#p#分頁標題#e#(00⁰1) ®(02⁰0)。CO₂激光器的工作氣體除CO₂氣體外，還有適量的輔助氣體N₂和He等。充入He氣的作用有二：一可加速CO₂分子在((00⁰1)能級的熱馳豫速率，有利于激光下能級上的粒子數抽空；二可利用He氣導熱系數大的特點，實現有效地傳熱。充入N₂氣的作用是提高CO₂分子的泵浦速率，為CO₂激光器高效運轉提供可靠的保證。

圖（2） 與產生激光有關的CO₂分子能級圖

當CO₂激光器進行氣體放電時，一部分高速電子直接碰撞CO₂分子，使其由基態躍遷到激發態#p#分頁標題#e#(00⁰l)上，另一部分高速電子與N₂分子碰撞，使其由基態（V＝0）激發到高能態(V＝1)上(N₂分子的相應能級已表示在圖（2）中)。由于N₂分子的激發態(V＝1)與CO₂分子的(00⁰1)能級非常接近，很容易通過共振能量轉移過程將基態CO₂分子激勵到(00⁰1)能級上。于是，通過上述兩種過程，有效地實現了CO₂分子在(00⁰1)能級上的粒子數積累，一旦實現(00⁰1)與(10⁰0)、(02⁰0)之間的粒子數反轉，即可通過受激輻射，產生#p#分頁標題#e#10.6mm和9.6mm兩種波長的激光。

由CO₂分子能級躍遷圖可見，10.6mm和9.6mm兩條譜線有共同的激光上能級(00⁰1)，因此在它們之間將產生強烈的譜線競爭。由于相應于10.6mm波長的躍遷幾率比9.6mm大，所以通常CO₂激光器的輸出激光波長為#p#分頁標題#e#10.6mm。