stringtranslate.com

Углекислый лазер

Испытательная мишень загорается при облучении непрерывным углекислотным лазером мощностью киловатт.

Углекислый лазер ( СО2 - лазер ) был одним из 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 наиболее полезных типов лазеров. Углекислые лазеры — это самые мощные лазеры непрерывного действия , доступные в настоящее время. Они также весьма эффективны: отношение выходной мощности к мощности накачки может достигать 20%. CO 2 -лазер излучает луч инфракрасного света с основными диапазонами  длин волн 9,6 и 10,6 микрометров (мкм).

Усиление

Активная лазерная среда ( среда усиления лазера ) представляет собой газовый разряд с воздушным или водяным охлаждением, в зависимости от прикладываемой мощности. Наполняющий газ внутри герметичной газоразрядной трубки состоит примерно на 10–20% из углекислого газа ( CO
2), около 10–20% азота ( N
2), несколько процентов водорода ( H
2) и/или ксенон (Xe), а остальное составляет гелий (He). [ нужна цитация ] В проточном лазере используется другая смесь , где CO
2через него постоянно прокачивается. Конкретные пропорции варьируются в зависимости от конкретного лазера.

Инверсия населенностей в лазере достигается следующей последовательностью: электронный удар возбуждает квантовые колебательные моды {v1(1)} азота. Поскольку азот является гомоядерной молекулой , он не может терять эту энергию в результате испускания фотонов , поэтому его возбужденные колебательные моды метастабильны и относительно долговечны. Н
2{v1(1)} и CO
2{v3(1)} почти идеально резонансен (разница полной молекулярной энергии находится в пределах 3 см -1 с учетом N
2ангармонизм, центробежное искажение и вибровращательное взаимодействие, что с лихвой компенсируется максвелловским скоростным распределением энергии поступательного режима), N
2столкновительно девозбуждается, передавая энергию своей колебательной моды молекуле CO 2 , вызывая возбуждение диоксида углерода до его {v3(1)} (асимметричное растяжение) квантового состояния колебательной моды. Совместно _
2затем излучает либо на длине волны 10,6 мкм [i] при переходе в колебательную моду {v1(1)} (симметричное растяжение), либо на длине волны 9,6 мкм [i] при переходе в колебательную моду {v20(2)} (изгиб). Затем молекулы углекислого газа переходят в основное состояние колебательной моды {v20(0)} из {v1(1)} или {v20(2)} в результате столкновения с холодными атомами гелия, тем самым поддерживая инверсную населенность. Полученные горячие атомы гелия должны быть охлаждены, чтобы сохранить способность производить инверсию заселенности в молекулах углекислого газа. В отпаянных лазерах это происходит при ударе атомов гелия о стенки разрядной трубки лазера. В проточных лазерах непрерывный поток CO 2 и азота возбуждается плазменным разрядом и откачивается из резонатора насосами горячая газовая смесь.

Добавление гелия также играет роль в первоначальном колебательном возбуждении N
2, за счет околорезонансной реакции диссоциации с метастабильным He(2 3 S 1 ). Замена гелия другими благородными газами, такими как неон или аргон, не приводит к увеличению мощности лазера. [2]

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

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

Строительство

Поскольку CO 2 лазеры работают в инфракрасном диапазоне, для их изготовления необходимы специальные материалы. Обычно зеркала посеребрены , а окна и линзы изготовлены из германия или селенида цинка . Для применений с высокой мощностью предпочтительны золотые зеркала, 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 условиях высокой мощности и в загрязненных средах. Оптические элементы из алмаза можно даже подвергать пескоструйной обработке без потери своих оптических свойств. Исторически линзы и окна делались 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 ответвителем (частично отражающим зеркалом) на выходе. [4]

CO 2 -лазер может быть сконструирован так, чтобы иметь мощность непрерывного излучения (CW) от милливатт (мВт) до сотен киловатт (кВт). [5] Также очень легко активно активировать добротность CO 2 -лазера с помощью вращающегося зеркала или электрооптического переключателя, что приводит к пиковой мощности модуляции добротности до гигаватт (ГВт). [6]

Поскольку лазерные переходы фактически происходят на колебательно-вращательных полосах линейной трехатомной молекулы, вращательная структура полос P и R может быть выбрана с помощью настроечного элемента в резонаторе лазера . Призмы непрактичны в качестве элементов настройки, поскольку большинство сред , передающих в среднем инфракрасном диапазоне, поглощают или рассеивают часть света, поэтому элементом настройки частоты почти всегда является дифракционная решетка . Вращая дифракционную решетку, можно выбрать ту или иную вращательную линию колебательного перехода. Наилучший отбор частот можно также получить с помощью эталона . На практике, вместе с изотопным замещением , это означает, что можно использовать непрерывную гребенку частот, разделенных примерно 1 см -1 (30 ГГц), в диапазоне от 880 до 1090 см -1 . Такие «линейно перестраиваемые» углекислотные лазеры [7] представляют в первую очередь интерес для исследовательских приложений. На выходную длину волны лазера влияют конкретные изотопы, содержащиеся в молекуле углекислого газа, при этом более тяжелые изотопы вызывают более длинноволновое излучение. [3]

Приложения

Медицинский CO 2 лазер

Промышленное (резка и сварка)

Из-за доступной высокой мощности (в сочетании с разумной стоимостью лазера) CO 2 -лазеры часто используются в промышленности для резки и сварки , тогда как лазеры с более низким уровнем мощности используются для гравировки. [8] При селективном лазерном спекании CO 2 -лазеры используются для сплавления частиц пластикового порошка в детали.

Медицинский (хирургия мягких тканей)

Углекислотные лазеры стали полезны в хирургических процедурах, потому что вода (которая составляет большую часть биологической ткани ) очень хорошо поглощает эту частоту света. Некоторыми примерами медицинского применения являются лазерная хирургия и шлифовка кожи («лазерная подтяжка лица », которая по существу заключается в испарении кожи для стимулирования образования коллагена). [9] CO 2 -лазеры можно использовать для лечения некоторых кожных заболеваний, таких как генитальная папиллярная гирсутия, путем удаления шишек или узелков. CO2 - лазеры можно использовать для удаления поражений голосовых связок, [10] таких как кисты голосовых складок . Исследователи в Израиле экспериментируют с использованием CO2 - лазеров для сварки тканей человека в качестве альтернативы традиционным швам . [11]

CO 2 -лазер с длиной волны 10,6 мкм остается лучшим хирургическим лазером для мягких тканей, где резка и гемостаз достигаются фототермическим (излучающим) способом. [12] [13] [14] [15] CO 2 -лазеры могут использоваться вместо скальпеля для большинства процедур и даже используются там, где скальпель не будет использоваться, в деликатных областях, где механическая травма может повредить операционное поле. . CO 2 -лазеры лучше всего подходят для процедур на мягких тканях у людей и животных по сравнению с лазерами с другими длинами волн . Преимущества включают меньшее кровотечение, более короткое время операции, меньший риск заражения и меньший послеоперационный отек. Область применения включает 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 подвергаются абляции при температуре до 5000 °C, создавая яркое тепловое излучение. [16]

Другой

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

Поскольку атмосфера достаточно прозрачна для инфракрасного света, лазеры на углекислом газе также используются для военного определения дальности с использованием методов лидара .

CO 2 -лазеры используются в спектроскопии [18] и в силекс-процессе для обогащения урана.

В производстве полупроводников CO 2 лазеры используются для генерации крайнего ультрафиолета .

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

Смотрите также

Примечания

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

Рекомендации

  1. ^ Патель, CKN (1964). «Воздействие лазером непрерывного действия на колебательно-вращательные переходы CO2». Физический обзор . 136 (5А): А1187–А1193. Бибкод : 1964PhRv..136.1187P. дои : 10.1103/physrev.136.a1187 .
  2. ^ Патель, CKN; и другие. (1965). «Мощный непрерывный лазер CO2-N2-He». Письма по прикладной физике . 7 (11): 290. Бибкод : 1965АпФЛ...7..290П. дои : 10.1063/1.1754264 .
  3. ^ ab [1] Юн Чжан и Тим Киллин, Газовые лазеры: лазеры CO 2 - переход от разнообразного прошлого к будущему, ориентированному на конкретные приложения , LaserFocusWorld (4 ноября 2016 г.)
  4. ^ «Выходные соединители». ophiropt.com . Офир Оптроникс Солюшнс Лтд . Проверено 17 февраля 2014 г.
  5. ^ «Углеродная завеса поглощает рассеянный лазерный свет» . Медиа-лаборатории Tech Briefs. 30 ноября 2007 года . Проверено 17 февраля 2014 г.
  6. ^ Усилитель углекислого газа в Брукхейвенской национальной лаборатории .
  7. ^ Ф. Дж. Дуарте (редактор), Справочник по настраиваемым лазерам (Academic, Нью-Йорк, 1995), Глава 4.
  8. ^ Андреета, MRB; и другие. (2011). «Двумерные коды, записанные на поверхности оксидного стекла с помощью CO 2 -лазера непрерывного действия». Журнал микромеханики и микроинженерии . 21 (2): 025004. Бибкод : 2011JMiMi..21b5004A. дои : 10.1088/0960-1317/21/2/025004. S2CID  137296053.
  9. ^ Бартон, Фриц (2014). «Обновление кожи». В Чарльзе Торне (ред.). Пластическая хирургия Грэбба и Смита (7-е изд.). Филадельфия: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. п. 455. ИСБН 978-1-4511-0955-9. Для практических целей существует три метода шлифовки: механическое шлифование (дермабразия), химический ожог (химический пилинг) и фотодинамическая обработка (лазерная абляция или коагуляция).
  10. ^ Беннингер, Майкл С. (2000). «Микродиссекция или микроточечный CO 2 -лазер при ограниченных доброкачественных поражениях голосовых складок: проспективное рандомизированное исследование». Ларингоскоп . 110 (С92): 1–17. дои : 10.1097/00005537-200002001-00001. ISSN  1531-4995. PMID  10678578. S2CID  46081244.
  11. ^ «Израильские исследователи впервые применяют лазерное лечение для заживления ран» . Израиль21c . 16 ноября 2008 года. Архивировано из оригинала 28 июля 2009 года . Проверено 8 марта 2009 г.
  12. ^ Фогель, А.; Венугопалан, В. (2003). «Механизмы импульсной лазерной абляции биологических тканей». хим. Преподобный . 103 (2): 577–644. дои : 10.1021/cr010379n. ПМИД  12580643.
  13. ^ Витрук, Питер (2014). «Спектры эффективности лазерной абляции и коагуляции мягких тканей полости рта». Имплантационная практика США . 6 (7): 22–27 . Проверено 15 мая 2015 г.
  14. ^ Фишер, JC (1993). «Качественное и количественное воздействие света на ткани важных хирургических лазеров». Лазерная хирургия в гинекологии: Клиническое руководство : 58–81.
  15. ^ Фантарелла, Д.; Котлоу, Л. (2014). «Стоматологический лазер CO2 9,3 мкм» (PDF) . Научное обозрение. Джей Лазер Дент . 1 (22): 10–27.
  16. ^ «Основы лазерной хирургии». Американский клуб изучения лазеров . Проверено 4 мая 2018 г.
  17. ^ Кланк, Хеннинг; Каттер, Йорг П.; Гешке, Оливер (2002). «Микрообработка CO2-лазером и вторичная обработка для быстрого производства микрофлюидных систем на основе ПММА». Лаборатория на чипе . 2 (4): 242–246. дои : 10.1039/B206409J. ПМИД  15100818 . Проверено 21 октября 2009 г.
  18. ^ CP Bewick, AB Duval и BJ Orr , Вращательно-селективная передача колебательной энергии между модами в столкновениях D 2 CO/D 2 CO и D 2 CO/Ar, J. Chem Phys. 82 , 3470 (1985).

Внешние ссылки