stringtranslate.com

Лазер на углекислом газе

Испытательная мишень загорается при облучении непрерывным киловаттным лазером на углекислом газе.

Лазер на углекислом газе ( лазер CO 2 ) был одним из самых первых газовых лазеров , которые были разработаны. Он был изобретен Кумаром Пателем из Bell Labs в 1964 году [1] и до сих пор является одним из самых полезных типов лазеров. Лазеры на углекислом газе являются самыми мощными лазерами непрерывного излучения , которые доступны в настоящее время. Они также довольно эффективны: отношение выходной мощности к мощности накачки может достигать 20%. Лазер CO 2 производит луч инфракрасного света с основными полосами длин волн , центрированными на 9,6 и 10,6  микрометров (мкм).

Усиление

Активная лазерная среда (среда усиления лазера ) представляет собой газовый разряд , охлаждаемый воздухом или водой в зависимости от применяемой мощности. Газ-заполнитель внутри герметичной разрядной трубки состоит примерно из 10–20% углекислого газа ( CO
2), около 10–20% азота ( N
2), несколько процентов водорода ( H
2) и/или ксенон (Xe), а остальное — гелий (He). [ требуется ссылка ] В проточном лазере используется другая смесь , где CO
2непрерывно прокачивается через него. Конкретные пропорции варьируются в зависимости от конкретного лазера.

Инверсия населенности в лазере достигается следующей последовательностью: электронный удар возбуждает {v1(1)} квантовые колебательные моды азота. Поскольку азот является гомоядерной молекулой , он не может потерять эту энергию путем испускания фотонов , и его возбужденные колебательные моды, следовательно, метастабильны и относительно долгоживущи. N
2{v1(1)} и СО
2{v3(1)} почти идеально резонансна (общая разность молекулярных энергий находится в пределах 3 см −1 при учете N
2ангармонизм, центробежное искажение и вибровращательное взаимодействие, которое более чем компенсируется распределением Максвелла по скоростям энергии поступательной моды), N
2столкновительно девозбуждается, передавая энергию своей колебательной моды молекуле CO 2 , заставляя диоксид углерода возбуждаться до своего квантового состояния колебательной моды {v3(1)} (асимметричное растяжение). CO
2затем излучательно испускает либо 10,6 мкм [i], опускаясь до {v1(1)} (симметрично-растяжимой) колебательной моды, либо 9,6 мкм [i], опускаясь до {v20(2)} (изгибной) колебательной моды. Затем молекулы углекислого газа переходят в основное состояние колебательной моды {v20(0)} из {v1(1)} или {v20(2)} путем столкновения с холодными атомами гелия, тем самым поддерживая инверсию населенности. Полученные горячие атомы гелия должны быть охлаждены, чтобы поддерживать способность производить инверсию населенности в молекулах углекислого газа. В герметичных лазерах это происходит, когда атомы гелия ударяются о стенки лазерной разрядной трубки. В проточных лазерах непрерывный поток CO 2 и азота возбуждается плазменным разрядом, а горячая газовая смесь выкачивается из резонатора насосами.

Добавление гелия также играет роль в начальном колебательном возбуждении N
2, из-за почти резонансной реакции диссоциации с метастабильным He(2 3 S 1 ). Замена гелия другими благородными газами, такими как неон или аргон, не приводит к улучшению выходной мощности лазера. [2]

Поскольку энергия возбуждения молекулярных колебательных и вращательных мод квантовых состояний низкая, фотоны, испускаемые в результате перехода между этими квантовыми состояниями, имеют сравнительно меньшую энергию и большую длину волны, чем видимый и ближний инфракрасный свет. Длина волны 9–12 мкм CO 2 лазеров полезна, поскольку она попадает в важное окно для атмосферного пропускания (до 80% атмосферного пропускания на этой длине волны), и поскольку многие природные и синтетические материалы имеют сильное характерное поглощение в этом диапазоне. [3]

Длину волны лазера можно настраивать, изменяя изотопное соотношение атомов углерода и кислорода, входящих в состав CO.
2молекулы в разрядной трубке.

Строительство

Поскольку лазеры CO2 работают в инфракрасном диапазоне, для их изготовления необходимы специальные материалы. Обычно зеркала посеребрены , а окна и линзы сделаны из германия или селенида цинка . Для приложений с высокой мощностью предпочтительны золотые зеркала и окна и линзы из селенида цинка. Также используются алмазные окна и линзы. Алмазные окна чрезвычайно дороги, но их высокая теплопроводность и твердость делают их полезными в приложениях с высокой мощностью и в загрязненных средах. Оптические элементы, сделанные из алмаза, можно даже подвергать пескоструйной обработке без потери их оптических свойств. Исторически линзы и окна изготавливались из соли ( хлорида натрия или хлорида калия ). Хотя этот материал был недорогим, линзы и окна медленно деградировали под воздействием атмосферной влаги.

Самая простая форма CO2 - 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. [4]

Лазер CO 2 может быть сконструирован так, чтобы иметь мощность непрерывной волны (CW) от милливатт (мВт) до сотен киловатт (кВт). [5] Также очень легко осуществлять активную модуляцию добротности лазера CO 2 с помощью вращающегося зеркала или электрооптического переключателя, что приводит к пиковой мощности модуляции добротности до гигаватт (ГВт). [6]

Поскольку лазерные переходы фактически находятся на полосах колебания-вращения линейной трехатомной молекулы, вращательная структура полос P и R может быть выбрана настроечным элементом в лазерном резонаторе . Призмы непрактичны в качестве настроечных элементов, поскольку большинство сред , передающих в среднем инфракрасном диапазоне, поглощают или рассеивают часть света, поэтому настроечным элементом частоты почти всегда является дифракционная решетка . Вращая дифракционную решетку, можно выбрать определенную вращательную линию колебательного перехода. Наилучший выбор частоты также может быть получен с помощью эталона . На практике, вместе с изотопным замещением , 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 «настраиваемые по линии» лазеры на углекислом газе [7] в основном представляют интерес для исследовательских приложений. Длина волны выходного излучения лазера зависит от конкретных изотопов, содержащихся в молекуле углекислого газа, при этом более тяжелые изотопы вызывают излучение с большей длиной волны. [3]

Приложения

Медицинский CO2 - лазер

Промышленное (резка и сварка)

Из-за доступных высоких уровней мощности (в сочетании с разумной стоимостью лазера) лазеры CO2 часто используются в промышленных приложениях для резки и сварки , в то время как лазеры с более низким уровнем мощности используются для гравировки. [8] При селективном лазерном спекании лазеры CO2 используются для сплавления частиц пластикового порошка в детали.

Медицина (хирургия мягких тканей)

Лазеры на углекислом газе стали полезными в хирургических процедурах, поскольку вода (которая составляет большую часть биологической ткани ) очень хорошо поглощает эту частоту света. Некоторые примеры медицинского применения - лазерная хирургия и шлифовка кожи ("лазерная подтяжка лица ", которая по сути заключается в испарении кожи для стимуляции образования коллагена). [9] Лазеры CO2 могут использоваться для лечения определенных кожных заболеваний, таких как hirsuties papillaris genitalis, путем удаления бугорков или струпов. Лазеры CO2 могут использоваться для удаления поражений голосовых складок, [10] таких как кисты голосовых складок . Исследователи в Израиле экспериментируют с использованием лазеров CO2 для сварки человеческих тканей в качестве альтернативы традиционным швам . [11]

Лазер CO2 10,6 мкм остается лучшим хирургическим лазером для мягких тканей, где и резка, и гемостаз достигаются фототермически (лучисто). [12] [13] [14] [15] Лазеры CO2 можно использовать вместо скальпеля для большинства процедур и даже использовать в местах, где скальпель не будет использоваться, в деликатных областях, где механическая травма может повредить место операции. Лазеры CO2 лучше всего подходят для процедур на мягких тканях в области лечения людей и животных по сравнению с лазерами с другими длинами волн . Преимущества включают меньшее кровотечение , более короткое время операции, меньший риск инфекции и меньший послеоперационный отек. Области применения включают гинекологию , стоматологию , челюстно-лицевую хирургию и многие другие.

Дентальный лазер CO2 с длиной волны 9,25–9,6 мкм иногда используется в стоматологии для абляции твердых тканей. Твердые ткани аблируются при температурах до 5000 °C, создавая яркое тепловое излучение. [16]

Другой

Обычный пластик полиметилметакрилат (ПММА) поглощает ИК-свет в диапазоне длин волн 2,8–25 мкм, поэтому в последние годы для изготовления из него микрофлюидных устройств использовались лазеры на CO2 с шириной канала в несколько сотен микрометров. [17]

Поскольку атмосфера достаточно прозрачна для инфракрасного света, CO2 - лазеры также используются для военной дальномерности с использованием технологий лидаров .

Лазеры на CO2 используются в спектроскопии [18] и в процессе Silex для обогащения урана.

В производстве полупроводников CO2 - лазеры используются для генерации экстремального ультрафиолета .

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

Смотрите также

Примечания

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

Ссылки

  1. ^ Patel, CKN (1964). "Действие непрерывного лазера на колебательно-вращательные переходы CO2". Physical Review . 136 (5A): A1187–A1193. Bibcode :1964PhRv..136.1187P. doi : 10.1103/physrev.136.a1187 .
  2. ^ Patel, CKN; et al. (1965). "CW High-Power CO2-N2-He Laser". Applied Physics Letters . 7 (11): 290. Bibcode :1965ApPhL...7..290P. doi : 10.1063/1.1754264 .
  3. ^ ab [1] Юн Чжан и Тим Киллин, Газовые лазеры: CO2 - лазеры — переход от разнообразного прошлого к прикладно-ориентированному будущему , LaserFocusWorld (4 ноября 2016 г.)
  4. ^ "Output Couplers". ophiropt.com . Ophir Optronics Solutions Ltd . Получено 17 февраля 2014 г. .
  5. ^ "Углеродная занавеска поглощает рассеянный лазерный свет". Tech Briefs Media Labs. 30 ноября 2007 г. Получено 17 февраля 2014 г.
  6. ^ Усилитель углекислого газа в Брукхейвенской национальной лаборатории .
  7. ^ FJ Duarte (ред.), Справочник по перестраиваемым лазерам (Academic, Нью-Йорк, 1995) Глава 4.
  8. ^ Андрета, МРБ и др. (2011). «Двумерные коды, записанные на поверхности оксидного стекла с использованием непрерывного лазера CO 2 ». Журнал микромеханики и микроинженерии . 21 (2): 025004. Bibcode :2011JMiMi..21b5004A. doi :10.1088/0960-1317/21/2/025004. S2CID  137296053.
  9. ^ Бартон, Фриц (2014). «Skin Resurfacing». В Charles Thorne (ред.). Grabb and Smith's Plastic Surgery (7-е изд.). Филадельфия: Lippincott Williams & Wilkins. стр. 455. ISBN 978-1-4511-0955-9. На практике существуют три метода шлифовки: механическая шлифовка (дермабразия), химический прижигание (химический пилинг) и фотодинамическая обработка (лазерная абляция или коагуляция).
  10. ^ Беннингер, Майкл С. (2000). «Микродиссекция или микроточечный CO2 - лазер для ограниченных доброкачественных поражений голосовых складок: перспективное рандомизированное исследование». Ларингоскоп . 110 (S92): 1–17. doi :10.1097/00005537-200002001-00001. ISSN  1531-4995. PMID  10678578. S2CID  46081244.
  11. ^ "Израильские исследователи — пионеры лазерного лечения для запечатывания ран". Israel21c . 16 ноября 2008 г. Архивировано из оригинала 28 июля 2009 г. Получено 8 марта 2009 г.
  12. ^ Фогель, А.; Венугопалан, В. (2003). «Механизмы импульсной лазерной абляции биологических тканей». Chem. Rev. 103 ( 2): 577–644. doi :10.1021/cr010379n. PMID  12580643.
  13. ^ Витрук, Питер (2014). «Спектры эффективности абляции и коагуляции лазера мягких тканей полости рта». Implant Practice US . 6 (7): 22–27 . Получено 15 мая 2015 г.
  14. ^ Фишер, Дж. К. (1993). «Качественные и количественные эффекты света от важных хирургических лазеров на ткани». Лазерная хирургия в гинекологии: клиническое руководство : 58–81.
  15. ^ Фантарелла, Д.; Котлов, Л. (2014). «9,3 мкм CO2 стоматологический лазер» (PDF) . Научный обзор. J Laser Dent . 1 (22): 10–27.
  16. ^ "Laser Surgery Basics". American Laser Study Club . Получено 4 мая 2018 г.
  17. ^ Кланк, Хеннинг; Куттер, Йорг П.; Гешке, Оливер (2002). «Микрообработка с помощью CO2-лазера и внутренняя обработка для быстрого производства микрофлюидных систем на основе ПММА». Lab on a Chip . 2 (4): 242–246. doi :10.1039/B206409J. PMID  15100818. Получено 21 октября 2009 г.
  18. ^ CP Bewick, AB Duval и BJ Orr , Вращательно-селективный перенос колебательной энергии от моды к моде в столкновениях D 2 CO/D 2 CO и D 2 CO/Ar, J. Chem Phys. 82 , 3470 (1985).

Внешние ссылки