Laser dwutlenku węgla - Carbon dioxide laser
Lasera dwutlenek węgla ( CO 2 laserowej ) był jednym z pierwszych lasery gazowe , które zostaną opracowane. Został wynaleziony przez Kumara Patela z Bell Labs w 1964 roku i nadal jest jednym z najbardziej użytecznych rodzajów lasera. Lasery na dwutlenek węgla są obecnie dostępnymi laserami o fali ciągłej o największej mocy . Są również dość wydajne: stosunek mocy wyjściowej do mocy pompy może wynosić nawet 20%. Laser CO 2 wytwarza wiązkę światła podczerwonego o głównych pasmach długości fali wyśrodkowanych na 9,6 i 10,6 mikrometrów (μm).
Wzmocnienie
Aktywny średniej laserowego (laser zysk / amplifikacji medium) jest wyładowcza , która jest powietrzem lub chłodzony wodą, w zależności od mocy stosowane. Gaz wypełniający w szczelnie zamkniętej rurze wylotowej składa się z około 10-20% dwutlenku węgla ( CO
2), około 10-20% azotu ( N
2), kilka procent wodoru ( H
2) i/lub ksenon (Xe), a resztę stanowi hel (He). Inna mieszanina jest używana w laserze przepływowym , gdzie CO
2jest przez nią stale pompowana. Konkretne proporcje różnią się w zależności od konkretnego lasera.
Inwersji populacji w lasera uzyskuje się następującej sekwencji: elektronów pobudza wpływ na {V1 (1)} kwantowe trybów drgań azotu. Ponieważ azot jest cząsteczką homojądrową , nie może tracić tej energii na drodze emisji fotonów , a jego wzbudzone mody wibracyjne są zatem metastabilne i stosunkowo długowieczne. N
2{v1(1)} i CO
2{v3(1)} jest prawie idealnie rezonansowy (całkowita różnica energii cząsteczkowej mieści się w granicach 3 cm- 1 przy uwzględnieniu N
2anharmoniczność, odkształcenie odśrodkowe i oddziaływanie wibro-rotacyjne, które z nawiązką rekompensuje rozkład prędkości Maxwella energii trybu translacyjnego), N
2zderzenia DE-pobudza przez przeniesienie energii drgań trybu do CO 2 w cząsteczce, powodując dwutlenku węgla w celu wzbudzenia jej {V3 (1)} (asymetryczne rozciągnięcie) sposób oscylacyjny stan wysokości. CO
2następnie emituje promieniście albo 10,6 μm, przechodząc do trybu wibracyjnego {v1(1)} (rozciąganie symetryczne), albo 9,6 μm, przechodząc do trybu wibracyjnego {v20(2)} (zginanie). Cząsteczki dwutlenku węgla przechodzą następnie do stanu podstawowego {v20(0)} wibracyjnego trybu podstawowego z {v1(1)} lub {v20(2)} przez zderzenie z zimnymi atomami helu, utrzymując w ten sposób inwersję populacji. Powstałe gorące atomy helu muszą zostać schłodzone, aby utrzymać zdolność do wytworzenia inwersji populacji w cząsteczkach dwutlenku węgla. W laserach zamkniętych ma to miejsce, gdy atomy helu uderzają w ściany rury wyładowania laserowego. W laserach przepływowych ciągły strumień CO 2 i azotu jest wzbudzany przez wyładowanie plazmowe, a gorąca mieszanina gazów jest wyprowadzana z rezonatora przez pompy.
Ponieważ energia wzbudzenia molekularnych stanów wibracyjnych i modowych kwantowych jest niska, fotony emitowane w wyniku przejścia między tymi stanami kwantowymi mają stosunkowo niższą energię i większą długość fali niż światło widzialne i bliskie podczerwieni. Długość fali 9–12 μm laserów CO 2 jest użyteczna, ponieważ mieści się w ważnym oknie dla transmisji atmosferycznej (do 80% transmisji atmosferycznej przy tej długości fali), a wiele materiałów naturalnych i syntetycznych ma w tym zakresie silną charakterystyczną absorpcję.
Długość fali lasera można dostroić, zmieniając stosunek izotopowy atomów węgla i tlenu tworzących CO
2 cząsteczki w rurze wyładowczej.
Budowa
Ponieważ lasery CO 2 działają w podczerwieni, do ich budowy potrzebne są specjalne materiały. Zazwyczaj lustra są srebrzone , natomiast szyby i soczewki wykonane są z selenku germanu lub selenku cynku . W przypadku zastosowań o dużej mocy preferowane są złote lustra oraz okna i soczewki z selenku cynku. W użyciu są również okna diamentowe i soczewki. Okna diamentowe są niezwykle drogie, ale ich wysoka przewodność cieplna i twardość sprawiają, że są przydatne w zastosowaniach o dużej mocy i w brudnych środowiskach. Elementy optyczne wykonane z diamentu można nawet piaskować bez utraty swoich właściwości optycznych. Historycznie soczewki i okna były wykonane z soli ( chlorku sodu lub chlorku potasu ). Chociaż materiał był tani, soczewki i okna ulegały powolnej degradacji pod wpływem wilgoci z powietrza.
Najbardziej podstawowa forma lasera CO 2 składa się z wyładowania gazowego (o mieszance zbliżonej do podanej powyżej) z odbłyśnikiem całkowitym na jednym końcu i sprzęgaczem wyjściowym (zwierciadło częściowo odbijające) na końcu wyjściowym.
Laser CO 2 może być skonstruowany tak, aby miał moc fali ciągłej (CW) od miliwatów (mW) do setek kilowatów (kW). Jest to bardzo proste do aktywnego Q-switch o CO 2 laser za pomocą obracającego się lustra lub przełącznika elektro-optycznych, dając dobrocią uprawnień szczytową do gigawatów (GW).
Ponieważ przejścia laserowe są w rzeczywistości na pasmach wibracyjno-rotacyjnych liniowej cząsteczki trójatomowej, strukturę obrotową pasm P i R można wybrać za pomocą elementu dostrajającego we wnęce lasera . Pryzmaty nie są praktyczne jako elementy dostrajające, ponieważ większość mediów transmitujących w średniej podczerwieni pochłania lub rozprasza część światła, więc element dostrajający częstotliwość jest prawie zawsze siatką dyfrakcyjną . Obracając siatkę dyfrakcyjną, można wybrać konkretną linię obrotu przejścia wibracyjnego. Najlepszy wybór częstotliwości można również uzyskać za pomocą etalon . W praktyce, wraz z podstawieniem izotopowym , oznacza to, że można zastosować ciągły grzebień częstotliwości oddzielonych o około 1 cm- 1 (30 GHz), który rozciąga się od 880 do 1090 cm- 1 . Takie „przestrajalne” lasery na dwutlenku węgla są głównie przedmiotem zainteresowania w zastosowaniach badawczych. Na wyjściową długość fali lasera wpływają poszczególne izotopy zawarte w cząsteczce dwutlenku węgla, przy czym cięższe izotopy powodują emisję dłuższej fali.
Aplikacje
Przemysłowe (cięcie i spawanie)
Ze względu na dostępne wysokie poziomy mocy (w połączeniu z rozsądnym kosztem lasera), lasery CO 2 są często używane w zastosowaniach przemysłowych do cięcia i spawania , podczas gdy lasery o niższym poziomie mocy są używane do grawerowania. Jest również stosowany w procesie wytwarzania przyrostowego w selektywnym spiekaniu laserowym (SLS).
Medyczne (chirurgia tkanek miękkich)
Lasery na dwutlenek węgla stały się przydatne w zabiegach chirurgicznych, ponieważ woda (która stanowi większość tkanek biologicznych ) bardzo dobrze absorbuje tę częstotliwość światła. Niektóre przykłady zastosowań medycznych to chirurgia laserowa i resurfacing skóry („laserowy lifting twarzy ”, który zasadniczo polega na odparowaniu skóry w celu promowania tworzenia kolagenu). Lasery CO 2 mogą być stosowane w leczeniu niektórych schorzeń skóry, takich jak owłosienie brodawkowate genitaliów poprzez usuwanie guzków lub strąków. Lasery CO 2 mogą być używane do usuwania uszkodzeń fałdów głosowych, takich jak torbiele fałdów głosowych . Naukowcy z Izraela eksperymentują z wykorzystaniem laserów CO 2 do zgrzewania ludzkiej tkanki, jako alternatywy dla tradycyjnych szwów .
10,6 um CO 2 laser pozostaje najlepszym laser chirurgiczny dla tkanek miękkich, gdzie zarówno do cięcia i hemostazy osiąga foto-termicznej (promiennie). Lasery CO 2 mogą być używane zamiast skalpela podczas większości zabiegów, a nawet są używane w miejscach, w których skalpel nie byłby używany, w delikatnych obszarach, w których uraz mechaniczny mógłby uszkodzić miejsce operacji. Lasery CO 2 najlepiej nadają się do zabiegów na tkankach miękkich w specjalnościach ludzi i zwierząt w porównaniu z innymi długościami fali lasera . Zalety to mniejsze krwawienie, krótszy czas operacji, mniejsze ryzyko infekcji i mniejszy obrzęk pooperacyjny. Zastosowania obejmują ginekologię , stomatologię , chirurgię szczękowo-twarzową i wiele innych.
Laser CO 2 o długości fali 9,25–9,6 μm jest czasami używany w stomatologii do ablacji twardych tkanek. Twarda tkanka jest poddawana ablacji w temperaturach do 5000 °C, wytwarzając jasne promieniowanie cieplne.
Inny
Popularny plastikowy poli(metakrylan metylu) (PMMA) absorbuje światło podczerwone w paśmie długości fali 2,8–25 μm, dlatego w ostatnich latach do wytwarzania urządzeń mikroprzepływowych z niego zastosowano lasery CO 2 o szerokości kanałów rzędu kilkuset mikrometrów.
Ponieważ atmosfera jest dość przezroczysta dla światła podczerwonego, lasery CO 2 są również wykorzystywane do wojskowego dalmierza przy użyciu technik LIDAR .
Lasery CO 2 są wykorzystywane w spektroskopii i procesie Silex do wzbogacania uranu.
Radziecki Polyus został zaprojektowany do używania megawatowego lasera dwutlenku węgla jako broni na orbicie do niszczenia satelitów SDI .
Zobacz też
Uwagi
Bibliografia
Linki zewnętrzne