Войти
Испытательная цель вспыхивает пламенем при облучении непрерывным лазером на углекислом газе киловаттного уровня. углекислый лазер (CO2лазер ) был одним из первых газовых лазеров, которые были разработаны. Он был изобретен Кумаром Пателем из Bell Labs в 1964 году и до сих пор остается одним из самых полезных. Лазеры на двуокиси углерода - это самые мощные лазеры непрерывного действия, которые доступны в настоящее время. Они также достаточно эффективны: отношение выходной мощности к мощности накачки может достигать 20%. Лазер CO 2 излучает луч инфракрасного света с основными полосами длины волны с центром 9,6 и 10,6 микрометров (мкм).
активная лазерная среда (усиление лазера / усиление среда) представляет собой газовый разряд с воздушным или водяным охлаждением, в зависимости от подаваемой мощности. Наполняющий газ в разрядной трубке состоит примерно на 10–20% двуокиси углерода (CO. 2), примерно на 10–20% азота (N. 2), на несколько процентов водорода (H. 2) и / или ксенон (Xe) (обычно используется только в герметичной трубке) и остаток газовой смеси гелий (He). Конкретные пропорции зависят от конкретного лазера.
инверсия населенности в лазере достигается следующей последовательностью: электрон удар возбуждает {v1 (1)} квантовые колебательные моды азота. Поскольку азот является гомоядерной молекулой, он не может потерять эту энергию из-за излучения фотона, и поэтому его возбужденные колебательные моды являются метастабильными и относительно долгоживущими. N. 2{v1 (1)} и CO. 2{v3 (1)} почти идеально резонансны (полная разница в энергии молекул находится в пределах 3 см с учетом ангармонизма N. 2, центробежных искажений и вибровращательного взаимодействия, что более чем компенсируется распределением скорости Максвелла энергии поступательной моды), N. 2сбрасывает возбуждение при столкновении, передавая свою энергию колебательной моды CO 2 молекула, заставляя углекислый газ перейти в квантовое состояние колебательной моды {v3 (1)} (асимметричное растяжение). Затем CO. 2излучает излучением либо с длиной волны 10,6 мкм, переходя в режим колебаний {v1 (1)} (симметричное растяжение), либо с 9,6 мкм, 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 и азота возбуждается плазменным разрядом, а горячая газовая смесь откачивается из резонатора насосами.
Поскольку энергия возбуждения квантовых состояний колебательной и вращательной моды мала, 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 CO 2 лазеров 9–12 мкм полезна, потому что она попадает в важное окно для атмосферного пропускания (до 80% атмосферного пропускания на этой длине волны), а также потому, что многие естественные а синтетические материалы имеют сильное характеристическое поглощение в этом диапазоне.
Длину волны лазера можно регулировать, изменяя изотопное соотношение атомов углерода и кислорода, составляющих молекулы CO. 2в газоразрядной трубке.
Поскольку лазеры CO 2 работают в инфракрасном диапазоне, для их изготовления необходимы специальные материалы. Обычно зеркала имеют посеребрение, а окна и линзы изготавливаются либо из германия, либо из селенида цинка. Для приложений с высокой мощностью предпочтительны золотые зеркала, окна и линзы из селенида цинка. Также используются ромбовидные 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 подвергнуть пескоструйной очистке без потери своих оптических свойств. Исторически линзы и окна изготавливались 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 общим отражателем на одном конце, и выходной ответвитель (частично отражающее зеркало) на выходном конце.
CO 2 лазер может быть сконструирован так, чтобы иметь мощность непрерывной волны (CW) между милливатт (мВт) и сотни киловатт (кВт). Также очень легко активировать Q-переключатель CO 2 лазер с помощью вращающегося зеркала или электрооптического переключателя, что приводит к увеличению пиковой мощности Q-переключателя до гигаватт (GW).
Поскольку лазерные переходы фактически происходят в полосах колебательного вращения линейной трехатомной молекулы, вращательную структуру полос P и R можно выбрать с помощью элемента настройки в лазерном резонаторе. Призмы не подходят для настройки, потому что большинство носителей, которые передают в среднем инфракрасном, поглощают или рассеивают часть света, поэтому частота элементом настройки почти всегда является дифракционная решетка. Вращая дифракционную решетку, можно выбрать конкретную линию вращения колебательного перехода. Наилучший выбор частоты также может быть получен за счет использования эталона . На практике вместе с изотопным замещением это означает, что можно использовать непрерывную гребенку частот, разделенных примерно на 1 см (30 ГГц), которая простирается от 880 до 1090 см. Такие «настраиваемые по линии» лазеры на диоксиде углерода представляют принципиальный интерес для исследовательских целей.
На длину волны излучения лазера влияют конкретные изотопы, содержащиеся в молекуле углекислого газа, причем более тяжелые изотопы вызывают излучение с большей длиной волны. Лазеры CO. 2можно заставить излучать от 8,98 до 10,2 мкм, выбрав соответствующий газ. В таблице ниже показан выходной диапазон для девяти возможных комбинаций изотопов:
| Изотоп атома углерода | Изотоп первого атома кислорода | Изотоп второго атома кислорода | Длина волны (мкм) |
|---|---|---|---|
| C | O | O | 9,8–10,2 |
| C | O | O | 9,5–9,8 |
| C | O | O | 9,1–9,3 |
| C | O | O | 9,0–9,2 |
| C | O | O | 9,5–9,8 |
| C | O | O | 9,0–9,3 |
| C | O | O | 9,0–9,2 |
| C | O | O | 9,4–9,8 |
| C | O | O | 9.9–10.2 |
Медицинский CO 2 лазер Из-за доступных высоких уровней мощности (в сочетании с разумной стоимостью для лазер), CO 2 лазеры часто используются в промышленности для резки и сварки, в то время как лазеры с более низким уровнем мощности используются для гравировки. Он также используется в процессе аддитивного производства селективного лазерного спекания (SLS).
Лазеры на углекислом газе стали полезными в хирургических процедурах, потому что вода (которая составляет большую часть биологических тканей ) очень сильно поглощает эту частоту света. Что ж. Некоторыми примерами использования в медицине являются лазерная хирургия и шлифовка кожи («лазерная подтяжка лица », которые по существу состоят в испарении кожи для стимулирования образования коллагена). CO 2 лазеры могут использоваться для лечения определенных кожных заболеваний, таких как hirsuties papillaris genitalis, путем удаления шишек или узлов. CO 2 лазеры можно использовать для удаления поражений голосовых складок, таких как кисты голосовых складок. Исследователи в Израиле экспериментируют с использованием лазеров CO 2 для сварки человеческих тканей в качестве альтернативы традиционным шовным материалам .
Лазер CO 2 10,6 мкм остается лучшим хирургический лазер для мягких тканей, при котором и рассечение, и гемостаз достигаются фототермическим (излучательным) способом. 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. CO 2 лазеры лучше всего подходят для процедур на мягких тканях у людей и животных по сравнению с другими лазерами с длинами волн. Преимущества включают меньшее кровотечение, более короткое время операции, меньший риск инфекции и меньший отек после операции. Области 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 подвергаются абляции при температурах до 5000 ° C, что приводит к яркому тепловому излучению.
Обычный пластик поли (метилметакрилат) (PMMA) поглощает ИК-свет в диапазоне длин волн 2,8–25 мкм, поэтому в последние годы для изготовления из них микрожидкостных устройств с шириной канала в несколько сотен микрометров использовались CO 2 лазеры.
Поскольку атмосфера достаточно прозрачна для инфракрасного света, CO 2 лазеры также используются для военного дальномера с использованием LIDAR техники.
CO2лазеры используются в спектроскопии и в процессе Silex для обогащения урана.
Советский Полюс был разработан для использования мегаваттного углекислотного лазера в качестве орбитального оружия для уничтожения спутников SDI.
