Láser de dióxido de carbono
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Un objetivo de prueba estalla en llamas al ser irradiado por un láser de dióxido de carbono de onda continua a nivel de kilovatios.

El láser de dióxido de carbono ( CO 2 láser ) fue uno de los primeros láseres de gas a desarrollar. Fue inventado por Kumar Patel de Bell Labs en 1964, [1] y sigue siendo uno de los tipos de láser más útiles. Los láseres de dióxido de carbono son los láseres de onda continua de mayor potencia que están disponibles actualmente. También son bastante eficientes: la relación entre la potencia de salida y la potencia de la bomba puede llegar al 20%. El láser de CO 2 produce un rayo de luz infrarroja con las principales bandas de longitud de onda centradas en 9,6 y 10,6 micrómetros (μm).

Amplificación

El medio de láser activo ( medio de amplificación / ganancia de láser ) es una descarga de gas que se enfría por aire o por agua, según la potencia que se esté aplicando. El gas de llenado dentro de un tubo de descarga sellado consiste en aproximadamente un 10-20% de dióxido de carbono ( CO
2), alrededor del 10-20% de nitrógeno ( N
2), un pequeño porcentaje de hidrógeno ( H
2) y / o xenón (Xe), y el resto es helio (He). [ cita requerida ] Se utiliza una mezcla diferente en un láser de flujo continuo, donde CO
2se bombea continuamente a través de él. Las proporciones específicas varían según el láser en particular.

La inversión de población en el láser se logra mediante la siguiente secuencia: el impacto de un electrón excita los modos vibracionales cuánticos {v1 (1)} del nitrógeno. Debido a que el nitrógeno es una molécula homonuclear , no puede perder esta energía por emisión de fotones y, por lo tanto , sus modos vibratorios excitados son metaestables y tienen una vida relativamente larga. norte
2{v1 (1)} y CO
2{v3 (1)} es casi perfectamente resonante (el diferencial de energía molecular total está dentro de los 3 cm −1 cuando se toma en cuenta N
2anarmonicidad, distorsión centrífuga e interacción vibro-rotacional, que está más que compensada por la distribución de velocidad de Maxwell de la energía en modo de traslación), N
2Se desexcita por colisión transfiriendo su energía de modo vibratorio a la molécula de CO 2 , lo que hace que el dióxido de carbono se excite a su estado cuántico de modo vibratorio {v3 (1)} (estiramiento asimétrico). El CO
2luego emite radiativamente a 10.6 μm [i] cayendo al modo vibratorio {v1 (1)} (estiramiento simétrico), o 9.6 μm [i] cayendo al modo vibratorio {v20 (2)} (flexión). Las moléculas de dióxido de carbono luego pasan a su estado fundamental en modo vibratorio {v20 (0)} desde {v1 (1)} o {v20 (2)} por colisión con átomos de helio fríos, manteniendo así la inversión de la población. Los átomos de helio calientes resultantes deben enfriarse para mantener la capacidad de producir una inversión de población en las moléculas de dióxido de carbono. En los láseres sellados, esto ocurre cuando los átomos de helio golpean las paredes del tubo de descarga del láser. En láseres de flujo continuo, una corriente continua de CO 2 y la descarga de plasma excita el nitrógeno y las bombas extraen la mezcla de gas caliente del resonador.

Debido a que la energía de excitación de los estados cuánticos de modo rotacional y vibratorio molecular es baja, los fotones emitidos debido a la transición entre estos estados cuánticos tienen una energía comparativamente menor y una longitud de onda más larga que la luz visible y del infrarrojo cercano. La longitud de onda de 9-12 μm de los láseres de CO 2 es útil porque entra en una ventana importante para la transmisión atmosférica (hasta un 80% de transmisión atmosférica en esta longitud de onda) y porque muchos materiales naturales y sintéticos tienen una fuerte absorción característica en este rango. [2]

La longitud de onda del láser se puede ajustar alterando la relación isotópica de los átomos de carbono y oxígeno que componen el CO
2 moléculas en el tubo de descarga.

Construcción

Ver también: Construcción láser

Debido a que los láseres de CO 2 operan en infrarrojos, se necesitan materiales especiales para su construcción. Por lo general, los espejos son plateados , mientras que las ventanas y las lentes están hechas de germanio o seleniuro de zinc . Para aplicaciones de alta potencia, se prefieren los espejos dorados y las ventanas y lentes de seleniuro de zinc. También se utilizan cristales y cristales de diamante . Las ventanas de diamante son extremadamente caras, pero su alta conductividad térmica y dureza las hacen útiles en aplicaciones de alta potencia y en entornos sucios. Los elementos ópticos hechos de diamante incluso se pueden pulir con chorro de arenasin perder sus propiedades ópticas. Históricamente, las lentes y las ventanas se hacían con sal ( cloruro de sodio o cloruro de potasio ). Si bien el material era económico, las lentes y las ventanas se degradaban lentamente con la exposición a la humedad atmosférica.

La forma más básica de un láser de CO 2 consiste en una descarga de gas (con una mezcla cercana a la especificada anteriormente) con un reflector total en un extremo y un acoplador de salida (un espejo parcialmente reflectante) en el extremo de salida. [3]

El láser de CO 2 se puede construir para tener potencias de onda continua (CW) entre milivatios (mW) y cientos de kilovatios (kW). [4] También es muy fácil activar Q-switch de un láser de CO 2 por medio de un espejo giratorio o un interruptor electro-óptico, dando lugar a potencias pico Q-conmutadas de hasta gigavatios (GW). [5]

Debido a que las transiciones del láser se encuentran en realidad en bandas de vibración-rotación de una molécula triatómica lineal, la estructura de rotación de las bandas P y R se puede seleccionar mediante un elemento de sintonización en la cavidad del láser . Los prismas no son prácticos como elementos de sintonización porque la mayoría de los medios que transmiten en el infrarrojo medio absorben o dispersan parte de la luz, por lo que el elemento de sintonización de frecuencia es casi siempre una rejilla de difracción . Al girar la rejilla de difracción, se puede seleccionar una línea de rotación particular de la transición vibratoria. La selección de frecuencia más fina también se puede obtener mediante el uso de un etalón . En la práctica, junto consustitución isotópica , esto significa que se puede utilizar un peine continuo de frecuencias separadas por alrededor de 1 cm -1 (30 GHz) que se extienden desde 880 hasta 1090 cm -1 . Estos láseres de dióxido de carbono "sintonizables en línea" [6] son principalmente de interés en aplicaciones de investigación. La longitud de onda de salida del láser se ve afectada por los isótopos particulares contenidos en la molécula de dióxido de carbono, y los isótopos más pesados ​​provocan una emisión de longitud de onda más larga. [2]

Aplicaciones

Un láser de CO 2 médico

Industrial (corte y soldadura)

Debido a los altos niveles de potencia disponibles (combinados con un costo razonable para el láser), los láseres de CO 2 se utilizan con frecuencia en aplicaciones industriales para cortar y soldar , mientras que los láseres de menor potencia se utilizan para grabar. [7] También se utiliza en el proceso de fabricación aditiva de sinterización selectiva por láser (SLS).

Médico (cirugía de tejidos blandos)

Los láseres de dióxido de carbono se han vuelto útiles en los procedimientos quirúrgicos porque el agua (que constituye la mayor parte del tejido biológico ) absorbe muy bien esta frecuencia de luz. Algunos ejemplos de usos médicos son la cirugía con láser y el rejuvenecimiento de la piel (" estiramientos faciales con láser ", que básicamente consisten en vaporizar la piel para promover la formación de colágeno). [8] Los láseres de CO 2 se pueden usar para tratar ciertas afecciones de la piel, como hirsuties papillaris genitalis, mediante la eliminación de protuberancias o cápsulas. Los láseres de CO 2 se pueden utilizar para eliminar las lesiones de las cuerdas vocales, [9] como los quistes de las cuerdas vocales.. Investigadores en Israel están experimentando con el uso de láseres de CO 2 para soldar tejido humano, como una alternativa a las suturas tradicionales . [10]

El láser de CO 2 de 10,6 μm sigue siendo el mejor láser quirúrgico para los tejidos blandos en los que tanto el corte como la hemostasia se logran foto-térmicamente (radiantemente). [11] [12] [13] [14] Los láseres de CO 2 se pueden usar en lugar de un bisturí para la mayoría de los procedimientos, e incluso se usan en lugares donde no se usaría un bisturí, en áreas delicadas donde un trauma mecánico podría dañar la cirugía. sitio. Los láseres de CO 2 son los más adecuados para procedimientos de tejidos blandos en especialidades humanas y animales, en comparación con otras longitudes de onda láser.. Las ventajas incluyen menos sangrado, menor tiempo de cirugía, menos riesgo de infección y menos hinchazón posoperatoria. Las aplicaciones incluyen ginecología , odontología , cirugía oral y maxilofacial y muchas otras.

El láser de CO 2 en la longitud de onda de 9,25 a 9,6 μm se utiliza a veces en odontología para la ablación de tejidos duros. El tejido duro se somete a ablación a temperaturas de hasta 5.000 ° C, lo que produce una radiación térmica brillante. [15]

Otro

El plástico común poli (metacrilato de metilo) (PMMA) absorbe luz IR en la banda de longitud de onda de 2,8 a 25 μm, por lo que los láseres de CO 2 se han utilizado en los últimos años para fabricar dispositivos de microfluidos con anchos de canal de unos pocos cientos de micrómetros. [dieciséis]

Debido a que la atmósfera es bastante transparente a la luz infrarroja, los láseres de CO 2 también se utilizan para la determinación de distancias militares utilizando técnicas LIDAR .

Los láseres de CO 2 se utilizan en espectroscopia [17] y el proceso Silex para enriquecer uranio.

El Polyus soviético fue diseñado para usar un láser de dióxido de carbono de megavatios como arma en órbita para destruir satélites SDI .

Ver también

  • Homogeneizador de haz
  • Perfilador de rayo láser
  • Láser TEA

Notas

  1. ^ a b La longitud de onda exacta depende de la composición isotópica del CO
    2     molécula.

Referencias

  1. ^ Patel, CKN (1964). "Acción láser de onda continua en transiciones vibracionales-rotacionales de CO 2 " . Revisión física . 136 (5A): A1187 – A1193. Código Bibliográfico : 1964PhRv..136.1187P . doi : 10.1103 / physrev.136.a1187 .
  2. ^ a b [1] Yong Zhang y Tim Killeen, Láseres de gas: Láseres de CO 2 - progresando de un pasado variado a un futuro específico de la aplicación , LaserFocusWorld (4 de noviembre de 2016)
  3. ^ "Acopladores de salida" . ophiropt.com . Ophir Optronics Solutions LTD . Consultado el 17 de febrero de 2014 .
  4. ^ "Cortina a base de carbono absorbe la luz láser perdida" . Tech Briefs Media Labs. 30 de noviembre de 2007 . Consultado el 17 de febrero de 2014 .
  5. ^ Amplificador de dióxido de carbono en el laboratorio nacional de Brookhaven
  6. ^ FJ Duarte (ed.), Manual de láseres ajustables (académico, Nueva York, 1995) Capítulo 4.
  7. ^ Andreeta, MRB; et al. (2011). "Códigos bidimensionales registrados en una superficie de vidrio de óxido mediante láser de CO 2 de onda continua ". Revista de Micromecánica y Microingeniería . 21 (2): 025004. Código bibliográfico : 2011JMiMi..21b5004A . doi : 10.1088 / 0960-1317 / 21/2/025004 .
  8. ^ Barton, Fritz (2014). "Rejuvenecimiento de la piel". En Charles Thorne (ed.). Cirugía plástica de Grabb y Smith (7 ed.). Filadelfia: Lippincott Williams y Wilkins. pag. 455. ISBN 978-1-4511-0955-9. A efectos prácticos, existen tres métodos de rejuvenecimiento: lijado mecánico (dermoabrasión), quemaduras químicas (peelings químicos) y tratamientos fotodinámicos (ablación láser o coagulación).
  9. ^ Benninger, Michael S. (2000). "Microdisección o láser de CO 2 microspot para lesiones benignas de cuerdas vocales limitadas: un ensayo prospectivo aleatorizado" . El laringoscopio . 110 (S92): 1–17. doi : 10.1097 / 00005537-200002001-00001 . ISSN 1531-4995 . PMID 10678578 . S2CID 46081244 .   
  10. ^ "Los investigadores israelíes son pioneros en el tratamiento con láser para sellar heridas" . Israel21c . 16 de noviembre de 2008. Archivado desde el original el 28 de julio de 2009 . Consultado el 8 de marzo de 2009 .
  11. ^ Vogel, A .; Venugopalan, V. (2003). "Mecanismos de ablación con láser pulsado de tejidos biológicos" . Chem Rev . 103 (2): 577–644. doi : 10.1021 / cr010379n . PMID 12580643 . 
  12. ^ Vitruk, Peter (2014). "Espectros de eficacia ablativa y coagulativa con láser de tejido blando oral" . Práctica de implantes EE . UU . 6 (7): 22-27 . Consultado el 15 de mayo de 2015 .
  13. ^ Fisher, JC (1993). "Efectos tisulares cualitativos y cuantitativos de la luz de importantes láseres quirúrgicos". Cirugía láser en ginecología: una guía clínica : 58–81.
  14. ^ Fantarella, D .; Kotlow, L. (2014). "El láser dental de CO 2 de 9,3 μm " (PDF) . Revisión científica. J Laser Dent . 1 (22): 10-27.
  15. ^ "Conceptos básicos de la cirugía láser - American Laser Study Club" . Club de estudio de láser americano . Consultado el 4 de mayo de 2018 .
  16. ^ " Micro mecanizado con láser de CO 2 y procesamiento de back-end para la producción rápida de sistemas de microfluidos basados ​​en PMMA" . Consultado el 21 de octubre de 2009 .
  17. ^ CP Bewick, AB Duval y BJ Orr , Transferencia de energía vibratoria rotacionalmente selectiva de modo a modo encolisionesD 2 CO / D 2 CO y D 2 CO / Ar, J. Chem Phys. 82 , 3470 (1985).

enlaces externos

  • Láser de dióxido de carbono de fabricación casera

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