Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Испытательная мишень загорается при облучении углекислотным лазером с непрерывной волной киловаттного уровня.

Лазер на диоксиде углерода ( СО 2 лазера ) был одним из самых ранних газовых лазеров , которые будут разработаны. Он был изобретен Кумаром Пателем из Bell Labs в 1964 году [1] и до сих пор остается одним из самых полезных. Лазеры на диоксиде углерода - это самые мощные лазеры непрерывного действия , доступные в настоящее время. К тому же они достаточно эффективны: отношение выходной мощности к мощности накачки может достигать 20%. CO 2 -лазер излучает луч инфракрасного света с основными полосами длин волн, составляющими 9,6 и 10,6  микрометра. (мкм).

Усиление [ править ]

Активная лазерная среда (лазер усиление / усиление среда) представляет собой газовый разряд , который является воздушным или водяным охлаждением, в зависимости от мощности применяются. Наполняющий газ в герметичной газоразрядной трубке состоит примерно на 10–20% двуокиси углерода ( CO
2), около 10–20% азота ( N
2), несколько процентов водорода ( H
2) и / или ксенон (Xe), а остальное - гелий (He). [ необходима цитата ] В проточном лазере используется другая смесь , где CO
2постоянно прокачивается через него. Конкретные пропорции зависят от конкретного лазера.

Инверсной населенности в лазере достигается за счет следующей последовательности: электрон воздействия возбуждает {v1 (1)} квантовых колебательных мод азота. Поскольку азот является гомоядерной молекулой , он не может терять эту энергию из-за испускания фотона , и поэтому его возбужденные колебательные моды являются метастабильными и относительно долгоживущими. N
2{v1 (1)} и CO
2{v3 (1)} почти идеально резонансный (полная разность молекулярной энергии находится в пределах 3 см -1 с учетом N
2ангармоничность, центробежные искажения и вибровращательное взаимодействие, которые более чем компенсируются максвелловским распределением энергии поступательной моды по скорости ), N
2сбрасывает возбуждение путем столкновения, передавая энергию своей колебательной моды молекуле CO 2 , заставляя углекислый газ перейти в квантовое состояние колебательной моды {v3 (1)} (асимметричное растяжение). CO
2затем излучает излучение либо с размером 10,6 мкм [i] , переходя в режим колебаний {v1 (1)} (симметричное растяжение), либо с 9,6 мкм [i] , переходя в режим колебаний {v20 (2)} (изгиб). Затем молекулы диоксида углерода переходят в свое основное состояние колебательной моды {v20 (0)} из {v1 (1)} или {v20 (2)} в результате столкновения с холодными атомами гелия, таким образом поддерживая инверсию населенностей. Образующиеся в результате горячие атомы гелия необходимо охладить, чтобы поддерживать способность вызывать инверсию населенностей в молекулах диоксида углерода. В герметичных лазерах это происходит, когда атомы гелия ударяются о стенки газоразрядной трубки. В проточных лазерах непрерывный поток CO 2 азот возбуждается плазменным разрядом, а горячая газовая смесь откачивается из резонатора насосами.

Поскольку энергия возбуждения квантовых состояний молекулярных колебательных и вращательных мод низка, фотоны, испускаемые в результате перехода между этими квантовыми состояниями, имеют сравнительно более низкую энергию и большую длину волны, чем видимый и ближний инфракрасный свет. Длина волны CO 2 -лазеров 9–12 мкм полезна, потому что она попадает в важное окно для пропускания атмосферы (до 80% пропускания атмосферы на этой длине волны), а также потому, что многие природные и синтетические материалы имеют сильное характеристическое поглощение в этом диапазоне. [2]

Длина волны лазера может быть настроена путем изменения изотопного отношения атомов углерода и кислорода, составляющих CO.
2 молекулы в разрядной трубке.

Строительство [ править ]

Смотрите также: Лазерное строительство

Поскольку CO 2 -лазеры работают в инфракрасном диапазоне, для их изготовления необходимы специальные материалы. Как правило, зеркала являются посеребренными , в то время как окна и линзы изготавливаются из германия или селенида цинка . Для приложений с высокой мощностью предпочтительны золотые зеркала, окна и линзы из селенида цинка. Также используются алмазные окошки и линзы. Алмазные окна чрезвычайно дороги, но их высокая теплопроводность и твердость делают их полезными в приложениях с высокой мощностью и в грязной среде. Оптические элементы из алмаза можно даже подвергать пескоструйной очисткебез потери своих оптических свойств. Исторически линзы и окна делали из соли ( хлорида натрия или хлорида калия ). Хотя материал был недорогим, линзы и окна медленно разрушались под воздействием атмосферной влаги.

Самая основная форма CO 2 -лазера состоит из газового разряда (со смесью, близкой к указанной выше) с полным отражателем на одном конце и выходным соединителем (частично отражающим зеркалом) на выходном конце. [3]

CO 2- лазер может быть сконструирован так, чтобы иметь мощность непрерывной волны (CW) от милливатт (мВт) до сотен киловатт (кВт). [4] Также очень легко активировать Q-переключение CO 2 -лазера с помощью вращающегося зеркала или электрооптического переключателя, что приводит к увеличению пиковой мощности Q-переключения до гигаватт (ГВт). [5]

Поскольку лазерные переходы на самом деле происходят на полосах колебания-вращения линейной трехатомной молекулы, вращательную структуру полос P и R можно выбрать с помощью настраивающего элемента в резонаторе лазера . Призмы непрактичны в качестве элементов настройки, поскольку большинство сред, которые передают в среднем инфракрасном диапазоне, поглощают или рассеивают часть света, поэтому элемент настройки частоты почти всегда представляет собой дифракционную решетку . Вращая дифракционную решетку, можно выбрать конкретную линию вращения колебательного перехода. Наилучший выбор частоты также может быть получен с помощью эталона . На практике вместе сизотопного замещения , это означает, что можно использовать непрерывную гребенку частот, разделенных примерно на 1 см -1 (30 ГГц), которая простирается от 880 до 1090 см -1 . Такие «перестраиваемые по линии» лазеры на диоксиде углерода [6] представляют принципиальный интерес для исследовательских приложений. На длину волны излучения лазера влияют конкретные изотопы, содержащиеся в молекуле углекислого газа, при этом более тяжелые изотопы вызывают излучение с большей длиной волны. [2]

Приложения [ править ]

Медицинский СО 2 лазера

Промышленное (резка и сварка) [ править ]

Благодаря доступным высоким уровням мощности (в сочетании с разумной стоимостью лазера) CO 2 -лазеры часто используются в промышленных приложениях для резки и сварки , в то время как лазеры с более низким уровнем мощности используются для гравировки. [7] Он также используется в процессе аддитивного производства селективного лазерного спекания (SLS).

Медицина (хирургия мягких тканей) [ править ]

Лазеры на углекислом газе стали полезными в хирургических процедурах, потому что вода (которая составляет большую часть биологических тканей ) очень хорошо поглощает эту частоту света. Некоторыми примерами использования в медицине являются лазерная хирургия и шлифовка кожи («лазерная подтяжка лица », которая, по сути, состоит из испарения кожи для стимулирования образования коллагена). [8] CO 2 -лазеры могут использоваться для лечения определенных кожных заболеваний, таких как hirsuties papillaris genitalis, путем удаления шишек или узлов. CO 2 -лазеры могут использоваться для удаления поражений голосовых складок [9], таких как кисты голосовых складок.. Исследователи в Израиле экспериментируют с использованием CO 2 -лазера для сварки человеческих тканей в качестве альтернативы традиционным швам . [10]

CO 2 -лазер 10,6 мкм остается лучшим хирургическим лазером для мягких тканей, где и рассечение, и гемостаз достигаются фототермическим (излучательным) способом. [11] [12] [13] [14] CO 2 -лазеры можно использовать вместо скальпеля для большинства процедур и даже там, где скальпель не будет использоваться, в деликатных областях, где механическая травма может повредить хирург. сайт. Лазеры CO 2 лучше всего подходят для процедур на мягких тканях у людей и животных по сравнению с лазерами других длин волн.. Преимущества включают меньшее кровотечение, более короткое время операции, меньший риск инфекции и меньший отек после операции. Применения включают гинекологию , стоматологию , челюстно-лицевую хирургию и многие другие.

CO 2 -лазер с длиной волны 9,25–9,6 мкм иногда используется в стоматологии для абляции твердых тканей. Твердые ткани удаляются при температуре до 5000 ° C, что дает яркое тепловое излучение. [15]

Другое [ править ]

Обычный пластиковый полиметилметакрилат ( ПММА) поглощает ИК-свет в диапазоне длин волн 2,8–25 мкм, поэтому в последние годы для изготовления из него микрожидкостных устройств с шириной канала в несколько сотен микрометров стали использовать CO 2 -лазеры . [16]

Поскольку атмосфера достаточно прозрачна для инфракрасного света, CO 2 -лазеры также используются для военного дальномера с использованием методов LIDAR .

CO 2 -лазеры используются в спектроскопии [17] и в процессе Silex для обогащения урана.

Советский « Полюс» был разработан для использования мегаваттного углекислотного лазера в качестве орбитального оружия для уничтожения спутников СОИ .

См. Также [ править ]

  • Гомогенизатор пучка
  • Профилировщик лазерного луча
  • TEA лазер

Примечания [ править ]

  1. ^ a b Точная длина волны зависит от изотопного состава CO
    2     молекула.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Пател, CKN (1964). «Воздействие непрерывного лазера на колебательно-вращательные переходы CO 2 » . Физический обзор . 136 (5A): A1187 – A1193. Bibcode : 1964PhRv..136.1187P . DOI : 10.1103 / Physrev.136.a1187 .
  2. ^ a b [1] Юн Чжан и Тим Киллин, Газовые лазеры: CO 2 -лазеры - переход от разнообразного прошлого к будущему , ориентированному на конкретные приложения , LaserFocusWorld (4 ноября 2016 г.)
  3. ^ "Выходные муфты" . ophiropt.com . Офир Optronics Solutions Ltd . Проверено 17 февраля 2014 года .
  4. ^ "Углеродный занавес поглощает рассеянный лазерный свет" . Технические описания Media Labs. 30 ноября 2007 . Проверено 17 февраля 2014 года .
  5. ^ Усилитель углекислого газа в Национальной лаборатории Брукхейвена
  6. ^ FJ Дуарте (ред.), Перестраиваемые лазеры Handbook (Academic, НьюЙорк, 1995) Глава 4.
  7. ^ Андреета, MRB; и другие. (2011). «Двумерный коды записаны на поверхности оксидного стекла с использованием СО непрерывной волны 2 лазера». Журнал микромеханики и микротехники . 21 (2): 025004. Bibcode : 2011JMiMi..21b5004A . DOI : 10.1088 / 0960-1317 / 21/2/025004 .
  8. Перейти ↑ Barton, Fritz (2014). «Шлифовка кожи». В Чарльз Торн (ред.). Пластическая хирургия Грабба и Смита (7-е изд.). Филадельфия: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. п. 455. ISBN 978-1-4511-0955-9. Для практических целей существует три метода шлифовки: механическое шлифование (дермабразия), химический ожог (химический пилинг) и фотодинамическое лечение (лазерная абляция или коагуляция).
  9. ^ Беннингер, Майкл С. (2000). "Микродиссекция или лазер на микроспоте на СО 2 для доброкачественных поражений ограниченной голосовой складки: проспективное рандомизированное исследование" . Ларингоскоп . 110 (S92): 1–17. DOI : 10.1097 / 00005537-200002001-00001 . ISSN 1531-4995 . PMID 10678578 . S2CID 46081244 .   
  10. ^ "Израильские исследователи пионеры в лечении ран лазером" . Israel21c . 16 ноября 2008 года Архивировано из оригинала 28 июля 2009 года . Проверено 8 марта 2009 года .
  11. ^ Vogel, A .; Венугопалан, В. (2003). «Механизмы импульсной лазерной абляции биологических тканей» . Chem Ред . 103 (2): 577–644. DOI : 10.1021 / cr010379n . PMID 12580643 . 
  12. ^ Витрук, Питер (2014). «Спектры эффективности лазерной абляции и коагуляции мягких тканей полости рта» . Практика имплантологии США . 6 (7): 22–27 . Дата обращения 15 мая 2015 .
  13. ^ Фишер, JC (1993). «Качественные и количественные тканевые эффекты света от важных хирургических лазеров». Лазерная хирургия в гинекологии: клиническое руководство : 58–81.
  14. ^ Fantarella, D .; Котлов, Л. (2014). «9,3 мкм СО 2 Стоматологический лазер» (PDF) . Научное обозрение. J Laser Dent . 1 (22): 10–27.
  15. ^ "Основы лазерной хирургии - Американский клуб изучения лазера" . Американский лазерный учебный клуб . Дата обращения 4 мая 2018 .
  16. ^ «CO 2 -лазерная микрообработка и внутренняя обработка для быстрого производства микрофлюидных систем на основе ПММА» . Проверено 21 октября 2009 года .
  17. ^ CP Bewick, AB Duval и BJ Orr , Вращательно-селективный перенос колебательной энергии от моды к моде встолкновенияхD 2 CO / D 2 CO и D 2 CO / Ar, J. Chem Phys. 82 , 3470 (1985).

Внешние ссылки [ править ]

  • Самодельный углекислый лазер