Laser cu dioxid de carbon
Laserul cu dioxid de carbon (laser CO 2 ) a fost unul dintre primele modele de laser cu gaz care a fost dezvoltat. A fost inventat de Kumar Patel [1] de la Bell Laboratories în 1964 și este acum unul dintre cele mai utilizate pe scară largă în domeniul medical și industrial.
Laserele CO 2 sunt cele mai puternice lasere cu undă continuă disponibile în prezent și sunt, de asemenea, printre cele mai eficiente: raportul dintre puterea de pompare și puterea emisă de laser poate fi de până la 20%.
Acest tip de laser emite un fascicul de lumină în infraroșu a cărui lungime de undă principală este centrată între 9,4 și 10,6 micrometri .
Amplificare
Mediul laser activ (generator de laser / mediu de amplificare ) este un tub de descărcare a gazului răcit cu aer (sau răcit cu apă în aplicații de mare putere). Gazul din interiorul tubului laser constă din:
- Dioxid de carbon (CO 2 ) (aproximativ 10-20%)
- Azot (N2) (aproximativ 10-20%)
- Hidrogen (H2) și / sau (Xe) (1-2%)
- Heliu (He) (restul amestecului gazos )
Proporțiile precise variază în funcție de tipul de laser și de utilizarea intenționată a acestuia.
Inversia necesară a populației în mediul laser se realizează prin trecerea unei descărcări electrice în amestecul gazos, care declanșează următorul lanț de evenimente:
- Impacturile electronilor excită modurile vibraționale ale moleculei de azot. Deoarece aceasta este o moleculă homonucleară , nu poate scăpa de energia dobândită prin emiterea unui foton și starea sa excitată este, prin urmare, metastabilă , adică rămâne pentru o perioadă foarte lungă de timp.
- Coliziunile dintre moleculele de gaz transferă energia din azotul excitat la moleculele de CO 2 cu suficientă eficiență pentru a genera inversarea populației dorită.
- Molecula de CO 2 excitată revine la starea sa de bază prin emiterea unui foton și contribuind mai întâi la stabilirea și apoi la emisia razei laser.
Constructie
Deoarece laserele CO 2 funcționează în infraroșu la o lungime de undă la care sticla nu mai este transparentă, sunt necesare materiale speciale pentru construcția lor. În general, oglinzile sunt fabricate din siliciu acoperit sau molibden , în timp ce lentilele și ferestrele de ieșire sunt din germaniu ; pentru aplicații de mare putere se utilizează oglinzi de aur și ferestre și lentile cu selenură de zinc . Din punct de vedere istoric, au fost utilizate și ferestre și lentile de sare , atât clorură de sodiu normală, cât și clorură de potasiu , dar, deși foarte ieftine, aceste lentile s-au deteriorat odată cu umiditatea atmosferică.
Cea mai simplă formă de laser cu CO 2 constă dintr-un tub de descărcare a gazului (umplut cu un amestec similar cu cel descris mai sus) cu o oglindă complet reflectorizantă la un capăt și un cuplaj de ieșire (de obicei o oglindă semireflectorizantă acoperită cu selenură de zinc) la capătul de ieșire. Reflectivitatea oglinzii cuplajului de ieșire este de obicei de 5-15%. Ieșirea cu laser, pentru aplicații de mare putere, poate avea un cuplaj special ( cuplat la margine ) pentru a reduce problemele de încălzire a opticii.
Laserul cu CO 2 poate fi proiectat pentru puteri de emisie continue, de la câțiva miliți la câteva sute de kilowați (kW). [2] De asemenea, este foarte ușor să introduceți un dispozitiv de comutare Q în aceste lasere, prin intermediul unei oglinzi rotative sau a unui comutator electro-optic, ceea ce le face capabile să genereze impulsuri de putere de până la un gigavat (GW). [3]
Deoarece tranziția de stare care dă naștere efectului laser în aceste dispozitive se referă la benzile de traducere a vibrațiilor unei molecule triatomice liniare, structura de rotație a benzilor P și R poate fi selectată de un element tuner în cavitatea rezonatorului laser: acest element este de obicei o rețea de difracție , deoarece în banda infraroșie a laserelor de CO 2 , materialele transparente au, în general, pierderi destul de mari. Prin rotirea rețelei, se poate selecta o anumită linie de rotație a tranziției vibraționale. Cea mai bună selecție a frecvenței poate fi realizată folosind un etalon . Prin urmare, datorită și substituției izotopice , este posibilă selectarea frecvențelor în voie într-un interval de la 880 la 1090 cm -1 într-un „pieptene” cu intervale de 1 cm -1 (30 GHz). Cu toate acestea, astfel de lasere cu dioxid de carbon „reglate fin” sunt mai presus de toate de interes teoretic și de cercetare.
Rezonatoare de plăci
O inovație importantă în laserele de CO 2 a fost introducerea recentă a surselor de plăci , constând nu din tuburi de sticlă, ci dintr-o cavitate obținută prin sigilarea a două planuri metalice apropiate și paralele, care acționează ca armături ale unui condensator: în aceste surse amestecul gazos este excitat nu de o descărcare electrică ci de o tensiune oscilantă de înaltă frecvență trecută prin condensatorul astfel format. Aceste surse prezintă avantajul considerabil de a nu necesita golirea cavității rezonante (și a umplerii ulterioare a gazului) de fiecare dată când laserul este oprit, reducând semnificativ costurile de funcționare ale sistemelor pe care le echipează: dezavantajul lor major, pe de altă parte, este calitatea minoră a fasciculului laser produs, în termeni de focalizare, colimare și puritate spectrală.
Aplicații
Având în vedere puterea mare obținută (și costul rezonabil al laserului), laserele CO 2 sunt utilizate pe scară largă în procesele industriale de tăiere și sudare . Sunt, de asemenea, foarte utile în chirurgie, deoarece apa, principalul constituent al țesuturilor, absoarbe foarte bine frecvența emisă și, prin urmare, sunt potrivite și pentru chirurgia cu laser, ridicarea, peelingurile feței (care constau practic în arderea stratului exterior al epidermei, pentru a promova formarea de colagen ) și dermabraziune .
Deoarece atmosfera Pământului este aproape complet transparentă la infraroșu, lasere CO 2 sunt utilizate și pentru telemetrie, folosind tehnici LIDAR .
Notă
- ^ CKN Patel, Continuous Wave Laser Action on Vibrational-Rotational Transitions of CO 2 , în Physical Review , vol. 136, 5A, 1964, pp. A1187 - A1193, DOI : 10.1103 / physrev.136.a1187 .
- ^ Cortina pe bază de carbon absoarbe lumina laser stray , defensetechbriefs.com , Tech Briefs Media Labs, 30 noiembrie 2007.
- ^ Amplificator cu dioxid de carbon , în: Brookhaven National Lab .
linkuri externe
- ( RO ) IUPAC Gold Book, „laser cu dioxid de carbon (laser CO 2 )” , pe goldbook.iupac.org .
- Laser auto-construit cu dioxid de carbon (în engleză) , la repairfaq.ece.drexel.edu . Adus la 3 iunie 2007 (arhivat din original la 30 mai 2007) .
