Laser de dióxido de carbono - Carbon dioxide laser
O laser de dióxido de carbono ( CO 2 a laser ) foi um dos primeiros lasers de gás a ser desenvolvido. Foi inventado por Kumar Patel da Bell Labs em 1964 e ainda é um dos tipos de laser mais úteis. Os lasers de dióxido de carbono são os lasers de onda contínua de maior potência atualmente disponíveis. Eles também são bastante eficientes: a relação entre a potência de saída e a potência da bomba pode chegar a 20%. O laser de CO 2 produz um feixe de luz infravermelha com as principais bandas de comprimento de onda centradas em 9,6 e 10,6 micrômetros (μm).
Amplificação
O meio de laser ativo ( meio de ganho / amplificação de laser ) é uma descarga de gás resfriada a ar ou água, dependendo da potência aplicada. O gás de enchimento dentro de um tubo de descarga selado consiste em cerca de 10-20% de dióxido de carbono ( CO
2), cerca de 10-20% de nitrogênio ( N
2), um pouco de hidrogênio por cento ( H
2) e / ou xenônio (Xe), e o restante é hélio (He). Uma mistura diferente é usada em um laser de fluxo contínuo , onde CO
2é continuamente bombeado através dele. As proporções específicas variam de acordo com o laser específico.
A inversão da população no laser é obtida pela seguinte sequência: o impacto do elétron excita os modos vibracionais quânticos {v1 (1)} do nitrogênio. Como o nitrogênio é uma molécula homonuclear , ele não pode perder essa energia pela emissão de fótons , e seus modos vibracionais excitados são, portanto, metaestáveis e de vida relativamente longa. N
2{v1 (1)} e CO
2{v3 (1)} sendo quase perfeitamente ressonante (o diferencial de energia molecular total está dentro de 3 cm −1 quando contabilizando N
2anarmonicidade, distorção centrífuga e interação vibro-rotacional, que é mais do que compensada pela distribuição de velocidade de Maxwell da energia do modo translacional), N
2colisionalmente desexcita transferindo sua energia de modo vibracional para a molécula de CO 2 , fazendo com que o dióxido de carbono excite para seu estado quântico de modo vibracional {v3 (1)} (extensão assimétrica). O CO
2em seguida, emite radiativamente a 10,6 μm caindo para o modo vibracional {v1 (1)} (alongamento simétrico) ou 9,6 μm caindo para o modo vibracional {v20 (2)} (flexão). As moléculas de dióxido de carbono, então, fazem a transição para seu estado fundamental de modo vibracional {v20 (0)} de {v1 (1)} ou {v20 (2)} por colisão com átomos de hélio frios, mantendo assim a inversão populacional. Os átomos de hélio quentes resultantes devem ser resfriados para manter a capacidade de produzir uma inversão populacional nas moléculas de dióxido de carbono. Em lasers selados, isso ocorre quando os átomos de hélio atingem as paredes do tubo de descarga do laser. Em lasers de fluxo contínuo, um fluxo contínuo de CO 2 e nitrogênio é excitado pela descarga de plasma e a mistura de gás quente é exaurida do ressonador por bombas.
Como a energia de excitação dos estados quânticos de modo vibracional e rotacional molecular é baixa, os fótons emitidos devido à transição entre esses estados quânticos têm energia comparativamente menor e comprimento de onda maior do que a luz visível e infravermelha próxima. O comprimento de onda de 9–12 μm dos lasers de CO 2 é útil porque cai em uma janela importante para a transmissão atmosférica (até 80% da transmissão atmosférica neste comprimento de onda) e porque muitos materiais naturais e sintéticos têm forte absorção característica nesta faixa.
O comprimento de onda do laser pode ser ajustado alterando a razão isotópica dos átomos de carbono e oxigênio que compõem o CO
2 moléculas no tubo de descarga.
Construção
Como os lasers de CO 2 operam no infravermelho, materiais especiais são necessários para sua construção. Normalmente, os espelhos são prateados , enquanto as janelas e lentes são feitas de germânio ou seleneto de zinco . Para aplicações de alta potência, são preferidos espelhos de ouro e janelas e lentes de seleneto de zinco. Existem também janelas e lentes de diamante em uso. As janelas de diamante são extremamente caras, mas sua alta condutividade térmica e dureza as tornam úteis em aplicações de alta potência e em ambientes sujos. Elementos ópticos feitos de diamante podem até ser jateados sem perder suas propriedades ópticas. Historicamente, as lentes e as janelas eram feitas de sal ( cloreto de sódio ou cloreto de potássio ). Embora o material fosse barato, as lentes e janelas degradavam-se lentamente com a exposição à umidade atmosférica.
A forma mais básica de um laser de CO 2 consiste em uma descarga de gás (com uma mistura próxima à especificada acima) com um refletor total em uma extremidade e um acoplador de saída (um espelho parcialmente refletivo) na extremidade de saída.
O laser de CO 2 pode ser construído para ter potências de onda contínua (CW) entre miliwatts (mW) e centenas de quilowatts (kW). Também é muito fácil alternar ativamente o Q-switch de um laser de CO 2 por meio de um espelho giratório ou de um interruptor eletro-óptico, dando origem a potências de pico Q-switch de até gigawatts (GW).
Como as transições do laser estão na verdade em bandas de vibração-rotação de uma molécula triatômica linear, a estrutura rotacional das bandas P e R pode ser selecionada por um elemento de ajuste na cavidade do laser . Os prismas não são práticos como elementos de ajuste porque a maioria dos meios que transmitem no infravermelho médio absorvem ou dispersam parte da luz, de modo que o elemento de ajuste de frequência é quase sempre uma rede de difração . Ao girar a rede de difração, uma linha de rotação particular da transição vibracional pode ser selecionada. A melhor seleção de frequência também pode ser obtida através do uso de um etalon . Na prática, junto com a substituição isotópica , isso significa que um pente contínuo de frequências separadas por cerca de 1 cm −1 (30 GHz) pode ser usado e se estendem de 880 a 1090 cm −1 . Esses lasers de dióxido de carbono "ajustáveis em linha" são principalmente de interesse em aplicações de pesquisa. O comprimento de onda de saída do laser é afetado pelos isótopos específicos contidos na molécula de dióxido de carbono, com os isótopos mais pesados causando emissão de comprimento de onda mais longo.
Formulários
Industrial (corte e soldagem)
Por causa dos altos níveis de potência disponíveis (combinados com um custo razoável para o laser), os lasers de CO 2 são freqüentemente usados em aplicações industriais para corte e soldagem , enquanto os lasers de baixo nível de potência são usados para gravação. Também é utilizado no processo de manufatura aditiva de sinterização seletiva a laser (SLS).
Médico (cirurgia de tecidos moles)
Os lasers de dióxido de carbono tornaram-se úteis em procedimentos cirúrgicos porque a água (que constitui a maior parte do tecido biológico ) absorve muito bem essa frequência de luz. Alguns exemplos de uso médico são a cirurgia a laser e o resurfacing da pele (" lifting facial a laser ", que consiste essencialmente em vaporizar a pele para promover a formação de colágeno). Os lasers de CO 2 podem ser usados para tratar certas doenças de pele, como hirsuties papillaris genitalis , removendo saliências ou pódios. Os lasers de CO 2 podem ser usados para remover lesões nas pregas vocais, como cistos nas pregas vocais . Pesquisadores em Israel estão experimentando o uso de lasers de CO 2 para soldar tecidos humanos, como uma alternativa às suturas tradicionais .
O laser de CO 2 de 10,6 µm continua sendo o melhor laser cirúrgico para tecidos moles, onde o corte e a hemostasia são obtidos fototérmicamente (radiante). Os lasers de CO 2 podem ser usados no lugar do bisturi para a maioria dos procedimentos, e são usados até mesmo em locais onde o bisturi não seria usado, em áreas delicadas onde traumas mecânicos podem danificar o sítio cirúrgico. Os lasers de CO 2 são os mais adequados para procedimentos de tecidos moles em especialidades humanas e animais, em comparação com outros comprimentos de onda de laser . As vantagens incluem menos sangramento, menor tempo de cirurgia, menos risco de infecção e menos inchaço pós-operatório. As aplicações incluem ginecologia , odontologia , cirurgia oral e maxilofacial e muitos outros.
O laser de CO 2 no comprimento de onda de 9,25–9,6 μm é algumas vezes usado em odontologia para ablação de tecido duro. O tecido duro é submetido a ablação em temperaturas de até 5.000 ° C, produzindo radiação térmica brilhante.
Outro
O poli (metacrilato de metila) (PMMA) de plástico comum absorve luz infravermelha na banda de comprimento de onda de 2,8–25 μm, então os lasers de CO 2 têm sido usados nos últimos anos para fabricar dispositivos microfluídicos a partir dele, com larguras de canal de algumas centenas de micrômetros.
Como a atmosfera é bastante transparente à luz infravermelha, os lasers de CO 2 também são usados para telêmetros militares usando técnicas LIDAR .
Os lasers de CO 2 são usados em espectroscopia e no processo Silex para enriquecer urânio.
O Polyus soviético foi projetado para usar um laser megawatt de dióxido de carbono como uma arma em órbita para destruir os satélites SDI .
Veja também
Notas
Referências
links externos