Лазер со2 принцип работы. Принцип работы CO2 лазера: устройство и физические основы газового лазера

Контакты клиники «СМ-Косметология»:
Телефон: +7 (499) 705-55-65

СО2 лазер в медицине — Л’МЕД хирургический СО2 лазерный аппарат

Что такое СО2 лазер

СО2 лазер – газовый лазер с длиной волны 10,6 мкм (10600 нм).

Лазеры получают название по типу активной среды, генерирующей лазерный луч. Так, излучение СО2 лазера генерируется в высококонцентрированной углекислом газе (СО2), благодаря чему он и получил свое название.

СО2 лазер (углекислотный лазер, лазер на углекислом газе) – один из первых изобретенных газовых лазеров. С момента создания (1964 год) и по сегодняшний день это один из самых мощных лазеров с непрерывным излучением.

Механизм действия

Излучение СО2 лазера с длиной волны 10,6 мкм поглощается содержащейся в биотканях водой.

В области фокусировки лазерный свет поглощается водой, которая содержится в клетках. Это усиливает колебательные процессы в молекулах воды и приводит к взрывному испарению воды. В результате в тканях возрастает температура (выше 100°С), что и приводит к испарению и разрезанию биоткани.

Применение СО2 лазера в хирургии

Медицинские СО2 лазеры излучают в инфракрасном (ИК) диапазоне с длиной волны 10,6 мкм (10600 нм).

Уникальность излучения СО2 лазера состоит в том, что оно активно поглощается как водой, так и органическими соединениями. Поэтому СО2 лазер – лучший лазерный скальпель для разрезания и иссечения тканей.

Ткани до 80% состоят из воды и поэтому отлично поглощают излучение СО2 лазера. Это свойство излучения углекислотного лазера сделало его универсальным скальпелем для проведения операций в гинекологии, дерматологии, косметологии и пластической хирургии, оториноларингологии и общей хирургии.

Толщина реза углекислотного лазера – 30-40 мкм. Зона некроза вокруг области лазерного разреза составляет максимум 0,5 мм. При резании происходит закрытие сосудов (коагуляция), что позволяет оперировать практически без кровопотерь в сухом и хорошо видимом операционном поле. Это особенно значимо при операциях на печени, легких, сердце.

СО2 лазер легко иссекает ожоги и удаляет некротические ткани. В гнойной хирургии излучение СО2 лазера полностью защищает рану от инфекции.

Лазерное излучение СО2 лазера позволяет:

• работать в хорошо просматриваемом сухом операционном поле и визуально контролировать процесс деструкции тканей;
• свести к минимуму объем повреждения окружающих зону реза тканей;
• получить хороший гемостаз по ходу разреза;
• обеспечить быстрое заживление раны.

История

Первые наработки по применению лазеров в хирургии в СССР начались в 1965 году в МНИОИ им. П. А. Герцена (руководитель работ профессор С. Д. Плетнёв) совместно с подмосковным научно-производственным предприятием «Исток» (руководители работ – академик АН СССР Н. Д. Девятков и В. П. Беляев), где производились первые российские лазерные медицинские аппараты.

Активно использоваться в хирургии лазер на углекислотном газе начал с 1970-х годов и до сих пор не уступает позицию лидера среди хирургических лазеров.

В 2014 году аппараты Ланцет были сняты с производства. Лучшие наработки отечественного медицинского СО2 лазера Ланцет были унаследованы и улучшены в новой разработке – СО2 лазере Л’МЕД.

Применение CO2 лазеров с высокочастотной накачкой для обработки материалов

Преимущества СО2 лазеров с высокочастотной накачкой

В последнее время во многих применениях все чаще используют CO2 лазеры с высокочастотной накачкой. Данный факт обусловлен высокой производительностью, долговечностью и безопасностью таких лазеров.  Они обеспечивают высококачественный лазерный пучок (более чем в 3 раза лучше, чем стеклянная трубка), высокую плотность мощности возбуждения, низкое рабочее напряжение, удобную регулировку выходной мощности, отличную стабильность мощности и высокую эксплуатационную надежность. Процесс высокочастотного возбуждения СО2 газа обеспечивает высокую частоту следования импульсов, что повышает скорость и эффективность обработки материалов.

CO2 лазеры с высокочастотной накачкой имеют гораздо более длительный срок службы (> 20000 часов), низкие затраты на техническое обслуживание, поскольку их можно повторно заправлять газом. CO2 лазеры с высокочастотной накачкой гарантированно соответствуют номинальной выходной мощности в течение всего срока службы устройства. Кроме того, CO2 лазеры с высокочастотной накачкой низкой и средней мощности охлаждаются воздухом. Регулировка температуры в лазерах средней мощности обычно требует только вентиляторов, это не только уменьшает габариты системы, но и устраняет необходимость в использовании чиллеров, а также сокращает количество оборудования, требующего технического обслуживания. Преимуществом является и то, что такие лазеры позволяют избежать проблем безопасности, связанных с водным охлаждением и высоким напряжением. Подробнее о линейках СО2 лазеров компании Synrad…

Лазерная резка

Высокопроизводительные CO2 лазеры позволяют с высокой точностью резать различные типы материалов. При этом геометрия реза также может быть различной. Знание типа материала, глубины реза, скорости обработки и требований к точности поможет определить наилучшие характеристики выходного излучения лазера для конкретного применения. CO2 лазеры могут быть использованы для резки следующих материалов:

• Дерева
• Керамики и стекла (при этом лазеры должны обладать высокой пиковой мощностью)
• Текстиля (преимущества: «запаивание» краев, высокая скорость обработки, низкая мощность)
• Тонких пленок (в данном случае необходим баланс мощности, диаметра пятна и длины волны для минимизации термического влияния)
• Кожи (высокая скорость обработки, требуемая мощность не менее 100 Вт),
• Каучука (каучук хорошо поглощает излучение CO2 лазера, поэтому не требуется высокая энергия)
• Металлов (лазеры с мощностью от 200 Вт до 400 Вт могут использоваться для резки тонких листов нержавеющей стали или алюминия, необходима дополнительная подача газа для обеспечения высокого качества реза)
• Пластика (большинство пластиков режутся при мощности менее 100 Вт)
• Бумаги (мощность является ключевым фактором, определяющим скорость резки)

Лазерное сверление

Использование CO2 лазера для высокопроизводительного сверления материалов требует баланса высокой пиковой мощности и приемлемого времени нарастания/спада лазерных импульсов. Энергетический баланс особенно важен для таких материалов, как керамика. При этом лазер работает в импульсном режиме для постоянного удаления материала до тех пор, пока не произойдет формирование отверстия. CO2 лазеры могут быть использованы для перфорации тонких пленок, пластика, дерева (требуемая мощность от 200 Вт до 400 Вт), бумаги (требуемая мощность от 100 Вт до 400 Вт), керамики, металлов (требуемая мощность от 200 Вт до 400 Вт), каучука.

Лазерная маркировка

Лазерная маркировка – создание контрастных меток на поверхности обрабатываемого материала путем обесцвечивания или плавления поверхности. При этом обесцвечивание (изменение цвета), происходящее под действием тепла, считается наиболее эффективным процессом маркировки за счет высокой скорости обработки, а требования к мощности низкие, как правило, ниже 25 Вт. Также формирование контрастных меток на обрабатываемом материале может быть достигнуто путем плавления поверхности. Как правило, расплавленный материал меняет плотность и объем.

Маркировка с применением высокоэффективных СО2 лазеров обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами:

• Низкие эксплуатационные расходы
• Высокая скорость
• Формирование четких изображений
• Долговечность изображений
• Широкий ряд обрабатываемых материалов

СО2 лазеры могут быть использованы для маркировки стекла (требуемая мощность около 25 – 30 Вт), бумаги и картона, металла (стали и металлов с покрытием, например, анодированного алюминия), пластика (требуемая мощность около 10 – 30 Вт), печатных плат (требуемая мощность около 5 – 10 Вт), каучука.

Лазерная гравировка

Гравировка – процесс формирования углубления в материале для маркировки материалов, которые не меняют цвет при поглощении излучения CO2 лазера. При этом создается эффект затемнения, обеспечивающий контраст с необработанной поверхностью. Однако гравировка в сравнении с маркировкой является менее эффективной в связи с увеличением времени лазерного воздействия, необходимого для удаления материала. Лазерная гравировка осуществляется по дереву, пластику, бумаге, композитным материалам.

Лазерная абляция

 Абляция – удаление слоя материала посредством лазерного воздействия. Длины волн СО2 лазеров более эффективно поглощаются определенными материалами и используются избирательно для удаления одного материала с поверхности другого. Лазерная абляция применяется для удаления пластиковых покрытий, чернил, краски, а также тонких пленок с других поверхностей. Преимущество лазерной абляции по сравнению с другими механическими или химическими методами заключается в том, что лазеры воздействуют только на удаляемый материал. При этом удаляемый материал испаряется, практически не оставляя отходов, требующих очистки.

©Synrad

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Synrad на территории РФ 

Co2 лазер — принцип работы станка, плюсы и минусы газового лазера

CO2 лазер был одним из первых газовых лазеров. Первый CO2 был разработан в 1964 году инженером-электриком Чандра Кумар Наранбхай Патель. Газовые лазерные станки сегодня являются одними из самых мощных лазеров непрерывного действия. Чтобы почувствовать всю мощь СО2, нужно узнать, как он работает.

Принцип работы газового лазера 

Передача энергии накачки происходит с помощью молекул от N2 (азота) к молекулам co2 (углекислого газа). Активная среда в трубке представляет собой смесь газов, а именно диоксида углерода (СО2), азота (N2), гелия (Не), в некоторых случаях водорода (Н2), паров вода или ксенон (Xe). Принцип действия лазерного станка Co2 заключается в том, что с помощью электрической накачки молекулы азота возбуждаются и переходят в метастабильное состояние, в котором они передают свою энергию возбуждения молекулам co2. Молекула углерода переходит в возбужденное состояние и излучает фотон на атомном уровне. 

Затем этот фотон сталкивается с атомами другой возбужденной молекулы CO2, которая уже испускает два фотона. Таким образом, в трубке генерируется большое количество фотонов. Другие газы, такие как гелий, необходимы для расслабления молекул и уменьшения тепла. Водяной пар или водород могут повторно окислить монооксид углерода, который образуется во время разряда, в диоксид углерода, и реакция начинается снова.

Кроме того, в трубке два зеркала, одно в первой трубке непрозрачное, обычно из меди (Cu), второе на выходе луча, полупрозрачное, из алмаза, так как последнее имеет высокую прочность, прозрачность и обеспечивает безопасность всей системы за счет нечувствительности к тепловому удару.

Это то, что позволяет фотонам проходить, но не всем, а только их части, так что другая часть этих частиц остается в трубке, чтобы воспроизводить свой собственный вид. Покидая полупрозрачное зеркало, фотоны сначала попадают на пространственный фильтр, очищающий лазер от боковых мод, а затем на линзу, собирающую частицы в прямой луч.

Плюс в том, что все фотоны имеют одинаковую длину волны, движутся параллельно друг другу, поэтому лазерный луч не рассеивается, в отличие от обычного света. Современные станки лазерной резки с СО2 являются горизонтальными, поэтому для направления луча на материал используется система зеркал, отражающих луч под нужным углом. Луч попадает в каретку с последним зеркалом под углом 90 градусов, что направляет луч уже на материал.

Излучение в CO2 происходит с длиной волны 10,6 микрон. Средняя мощность варьируется от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт.

Типы газовых лазеров с ЧПУ 

1. Непроточные с герметичными трубами. Он используется для выработки электроэнергии от нескольких ватт до нескольких сотен ватт. Непроточный лазер отличается от других тем, что газ и весь путь луча находятся в герметичной трубке. Газовые трубы — это прочные и компактные агрегаты со сроком службы несколько тысяч часов.
   
2. Лазер с быстрым осевым и поперечным потоком. Избыточное тепло в этом лазере поглощается быстрым потоком газовой смеси, которая проходит через внешний охлаждающий элемент, такой как вода. Указанный тип лазера производит мощность в несколько киловатт;
3. Диффузно-охлаждающие. Газ в этих типах размещается между двумя плоскими RF-электродами с водяным охлаждением. Когда генерируется избыточное тепло, оно передается электродам путем диффузии. Этот лазер генерирует мощность в несколько киловатт;
4. Лазеры с поперечно возбужденной средой. Отличается высоким давлением газа. Поперечные возбуждения выполняются с помощью ряда электродов, расположенных вдоль трубки, так как напряжение, необходимое для продольного разряда, быстро становится высоким. Поскольку газовый разряд не может быть стабильным при высоком давлении в трубке, этот тип лазера может работать только в импульсном режиме. Лазер с поперечно возбужденной средой дает мощность в несколько десятков киловатт;
5. Co2 мощностью несколько мегаватт. Они используются в противоракетном оружии. Отличительной особенностью таких мощных лазеров является то, что энергия передается не за счет газового разряда, а за счет химической реакции, которая обеспечивает огромную выходную мощность.

Преимущества лазерных станков Co2 при резке  

• Качественная резка лазером Co2 и тонкость шва;
• Co2-лазерные станки очень эффективны благодаря высокой мощности, генерируемой лазером;
• Высокая скорость работы. Поскольку CO2 имеет высокую мощность, резка и обработка выполняются быстрее;
• Поскольку co2-лазер с ЧПУ работает по принципу передачи энергии накачки от молекул N2 к молекулам co2, а газ действует как активная среда, при их использовании нет твердых отходов;
• Низкий уровень шума и вибрации. Устройство газового лазера практически не создает шума, процесс создания лазерного луча происходит в закрытой трубке, которая поглощает дополнительные колебания;
• Неподвижность режущего материала. В станках с co2 есть оптическая система, которая выводит луч на плоскость материала, а каретка, на подвижной части установки, гарантирует перемещение лазера в нужных направлениях и неподвижность режущего материала;
• Широкий выбор обрабатываемых материалов. Используя co2, можно резать пластик, ткань, кожу, картон, бумагу;
• Низкое потребление энергии;
• Универсальность. Программное обеспечение станков с CO2-лазером дает возможность выполнять сложную резку, тем самым воплощая сложную виртуальную модель в реальность;
• Выбор интенсивности излучения. В CO2 вы можете выбрать режим излучения, который позволяет обрабатывать различные типы материалов и создавать впадины разной глубины.
• Отсутствие брака. СО2 оснащен числовым программным управлением (ЧПУ), с помощью которого лазер выполняет точные движения и разрезы, соответствующие эскизу, указанному в программе.
• Возможность резать гибкие материалы. При резке материалов лазером CO2 нет контакта между поверхностью разрезаемого материала и каретки. Это позволяет резать бумагу и ткань с помощью CO2-лазера.
• Взаимозаменяемость элементов. Чтобы повысить эффективность установки на CO2-лазерах, лазерная трубка может быть заменена без каких-либо последствий для всей машины.
• Легкость обслуживания;
• Дальнейшая обработка краев изделия не требуется. Благодаря высокой мощности CO2-лазера он оставляет чистый и однородный срез, не требующий шлифовки или дополнительной обработки.
• Компактность. CO2-лазеры компактны и не занимают много места.

Недостатки Co2 лазера при гравировке и резке 

• Ограниченный объем газа в газовой трубе, который потребляется с течением времени;
• Хрупкость газовой трубы. Трубка, используемая в СО2 лазере, сделана из стекла, которое может разбиться при неосторожном перемещении, плотном сжатии и неправильной транспортировке без осторожности.
• Необходимость постоянного охлаждения. Когда в газовой трубке создается лазер, температура смеси повышается. Чтобы лазерный станок Co2 с ЧПУ не перегрелся и не пришел в негодность, необходимо установить систему охлаждения, которая постоянно охлаждает газовую трубу.
• Разная мощность для разных материалов. Момент, когда одно из достоинств превращается в недостаток. Поскольку разные материалы имеют разную природу, необходимо выбрать соответствующую мощность лазера для резки. В противном случае изделие будет повреждено;
• Неисправность при малой мощности;
• Ограниченные возможности работы с металлом. Возможна только гравировка лазером Co2 по металлу. 

Обобщая все вышесказанное, можно сделать вывод, что СО2-лазеры являются одним из самых мощных инструментов для резки, полировки и другой обработки материалов различного типа. Машины с CO2-лазером не производят отходов, потому что режущий инструмент представляет собой лазер, генерируемый атомами в газовой трубке.

1 919

Лазерный излучатель. Мощность лазерной трубки.

Лазерный излучатель, или лазерная трубка, она же CO2 трубка входит в комплект лазерного гравера. Эта деталь относится к расходным материалам, потому как очень быстро вырабатывает свой ресурс. В среднем он составляет около 2000 ч. У любой трубки для лазера со временем происходит потеря свойств, даже если она не использовалась все это время. Дело в том, что ограниченное время работы лазерной трубки связано с тем, что газовая смесь постепенно разряжается, а значит падает мощность луча. Поэтому рассчитывая стоимость обслуживания лазерного гравера необходимо учитывать расходы на замену данного элемента.

Принцип действия лазерной трубки

Лазерная трубка – это основной элемент гравера, в нем происходит индуцирование лазерного луча. Система зеркал обеспечивает его попадание в лазерную головку, а затем при помощи линзы осуществляется его фокусирование и выход из сопла. При попадании на гравируемую или разрезаемую поверхность, луч осуществляет гравировку или резку рисунка или надписи.

Мощность трубки

Газовые трубки могут иметь самую различную мощность. Она может варьироваться в пределах от 15W до 200W. От мощности трубки зависит мощность лазерного луча, а она, в свою очередь, определяет глубину резки материала. Так, газовую трубку 80W принято считать трубкой со средней мощностью, ее используют для резки оргстекла толщиной 10 мм. В любом лазерном оборудовании можно регулировать мощность луча, которая зависит только от максимальной мощности трубки. Таким образом, лазерную трубку можно использовать в любом диапазоне мощностей, позволяя регулировать глубину резки и существенно продлить срок службы излучателя. Самое главное – это подбирать оптимальную мощность трубки соответственно типу обрабатываемой поверхности и использовать только качественные материалы от проверенных производителей.

Срок службы лазерной трубки

Частота замены лазерной трубки зависит от многих факторов. Если производитель заявляет, что срок службы трубы составляет около 2000 — 3000ч, то путем несложных подсчетов можно установить, что лазерная трубка проработает около 6-10 месяцев. Но это при условии, что ей будет обеспечено достаточное охлаждение, она будет резать оргстекло, пластик или дерево при мощности 60-80%. При эксплуатации лазерной трубки желательно использовать дистиллированную воду и подключить чиллер. Что касается блока питания, то он так же должен быть соответствующей мощности. Лучше эксплуатировать трубку на мощности в 60-70%. Если в процессе работы лазерная трубка начнет резать хуже, то не стоит повышать мощность, лучше снизить скорость. Если по каким-то причинам этого сделать нельзя, то можно увеличить мощность, однако стоит помнить, что постоянно работающая на пределе возможностей лазерная трубка долго не прослужит.

Как работают CO2-лазеры?

Состав

CO2-лазер — это разновидность газового лазера. В этом устройстве электричество проходит через заполненную газом трубку, излучающую свет. Концы трубки — зеркала; одна из них полностью отражающая, а другая пропускает свет. Газовая смесь обычно состоит из диоксида углерода, азота, водорода и гелия. Свет, излучаемый лазерами CO2, невидим и попадает в дальнюю инфракрасную область светового спектра.

Производство лазерного луча

Под воздействием электрического тока молекулы азота в газовой смеси возбуждаются, что означает, что они получают энергию.Азот используется, потому что он может удерживать это возбужденное состояние в течение длительных периодов времени, не выделяя энергию в виде фотонов или света. В свою очередь, высокоэнергетические колебания азота возбуждают молекулы углекислого газа. В этот момент лазер достигает состояния, называемого инверсией населенности, точки, в которой в системе больше возбужденных частиц, чем невозбужденных. Чтобы лазер создавал луч света, атомы азота должны потерять свое возбужденное состояние, высвобождая энергию в виде фотонов.Это происходит, когда возбужденные атомы азота контактируют с очень холодными атомами гелия, из-за чего азот испускает свет.

Разряд лазерного света

Производимый свет очень мощный по сравнению с обычным светом, потому что газовая трубка окружена зеркалами, которые отражают большую часть света, проходящего через трубку. Это отражение света вызывает увеличение интенсивности световых волн, производимых азотом. Свет увеличивается по мере того, как он движется вперед и назад через трубку, выходя только после того, как становится достаточно ярким, чтобы проходить через частично отражающее зеркало.

Мощность луча и длина волны

Свет от CO2-лазера достаточно мощный, чтобы резать многие материалы, включая ткань, дерево и бумагу; самые мощные СО2-лазеры используются для обработки стали и других металлов. Хотя самые мощные CO2-лазеры вырабатывают более 1000 Вт, используемые для механической обработки обычно составляют от 25 до 100 Вт; для сравнения, лазерные указки имеют мощность в несколько тысячных ватта. Поскольку он находится в инфракрасном диапазоне, он имеет очень большую длину волны, около 10,6 микрометра; он намного длиннее видимого света, длина которого составляет от 450 до 700 нанометров.Что касается лазеров непрерывного действия, тип CO2 является самым мощным в производстве.

Принцип, конструкция, работа, характеристики, преимущества, недостатки и области применения

Лазер на молекулярном газе

В лазере на молекулярном газе действие лазера достигается за счет переходов между колебательными и вращательными уровнями молекул. Его конструкция проста, а мощность этого лазера непрерывна.

В лазере на молекулярном газе CO2 переход происходит между колебательными состояниями молекул углекислого газа.

CO2 Лазер на молекулярном газе

Это был первый лазер на молекулярном газе, разработанный американским ученым, родившимся в Индии, профессором К.К.Н. Пиллаи.

Это четырехуровневый лазер, работающий на длине волны 10,6 мкм в дальней ИК-области. Это очень эффективный лазер.

Энергетические состояния молекул CO2 .

Молекула диоксида углерода имеет атом углерода в центре с двумя присоединенными атомами кислорода, по одному с обеих сторон.Такая молекула демонстрирует три независимых режима колебаний. Это

а) Симметричный режим растяжения.

б) Режим изгиба

в) Режим асимметричного растяжения.

а. Симметричный режим растяжения

В этом режиме колебаний атомы углерода находятся в состоянии покоя, и оба атома кислорода одновременно колеблются вдоль оси молекулы, удаляясь или приближаясь к фиксированным атомам углерода.

б. Режим изгиба:

В этом режиме колебаний атомы кислорода и углерода колеблются перпендикулярно оси молекулы.

с. Асимметричный режим растяжения :

В этом режиме колебаний атомы кислорода и атомы углерода колеблются асимметрично, то есть атомы кислорода движутся в одном направлении, а атомы углерода — в другом.

Принцип:

Активная среда представляет собой газовую смесь CO2, N2 и He. Лазерный переход происходит между колебательными состояниями молекул СО2.

Конструкция :

Состоит из кварцевой трубки длиной 5 м и диаметром 2,5 см. Эта газоразрядная трубка заполнена газовой смесью CO2 (активной среды), гелия и азота с подходящими парциальными давлениями.

Клеммы газоразрядных трубок подключены к источнику постоянного тока. Концы газоразрядной трубки снабжены окнами Брюстера из NaCl, так что генерируемый лазерный свет будет поляризован.

Два вогнутых зеркала, одно полностью отражающее, а другое частично, образуют оптический резонатор.

Рабочий:

На рисунке показаны уровни энергии молекул азота и углекислого газа.

Когда в газе возникает электрический разряд, электроны сталкиваются с молекулами азота и переходят в возбужденное состояние. Этот процесс представлен уравнением

N2 + e * = N2 * + e

N2 = молекула азота в основном состоянии e * = электрон с кинетической энергией

N2 * = молекула азота в возбужденное состояние e = тот же электрон с меньшей энергией

Теперь молекулы N2 в возбужденном состоянии сталкиваются с атомами CO2 в основном состоянии и возбуждаются на более высокие электронные, колебательные и вращательные уровни.

Этот процесс представлен уравнением N2 * + CO2 = CO2 * + N2

N2 * = молекула азота в возбужденном состоянии. CO2 = атомы углекислого газа в основном состоянии CO2 * = атомы углекислого газа в возбужденном состоянии N2 = молекула азота в основном состоянии.

Поскольку возбужденный уровень азота очень близок к уровню E5 атома CO2, населенность на уровне E5 увеличивается.

Как только инверсия заселенностей будет достигнута, любой из спонтанно испускаемых фотонов вызовет действие лазера в трубке.Возможны два типа лазерного перехода.

1. Переход от E5 к E4 :

В результате будет получен лазерный луч с длиной волны 10,6 мкм

2. Переход от E5 к E3

Этот переход приведет к образованию лазерного луча длиной волны 9,6 мкм. Обычно переход 10,6 мкм более интенсивен, чем переход 9,6 мкм. Выходная мощность этого лазера составляет 10 кВт.

Характеристики:

1.Тип: это лазер на молекулярном газе.

2. Активная среда: в качестве активной среды используется смесь CO2, N2 и гелия или водяного пара.

3. Метод откачки: для откачки используется метод электрического разряда

4. Оптический резонатор: два вогнутых зеркала образуют резонансную полость

5. Выходная мощность: выходная мощность этого лазера составляет около 10 кВт.

6.Тип вывода: характер вывода может быть непрерывным или импульсным.

7. Длина волны на выходе: Длина волны на выходе составляет 0,6 мкм и 10,6 мкм.

Преимущества:

1. Конструкция CO2-лазера проста.

2. Мощность этого лазера непрерывна.

3. Обладает высокой эффективностью

4.Имеет очень высокую выходную мощность.

5. Выходную мощность можно увеличить, увеличив длину газовой трубки.

Недостатки:

1. Загрязнение кислорода угарным газом будет иметь некоторое влияние на действие лазера.

2. Рабочая температура играет важную роль в определении температуры. выходная мощность лазера.

3. На отражающих пластинах может возникнуть коррозия.

4. Случайное воздействие может повредить наши глаза, поскольку оно невидимо (инфракрасная область) для наших глаз.

Применения:

1. Лазер CO2 большой мощности находит применение при обработке материалов, сварке, сверлении, резке, пайке и т. Д.

2. Низкое атмосферное затухание (10.6 мкм делают CO2-лазер пригодным для общения на открытом воздухе.

3. Используется для дистанционного зондирования

4. Используется для лечения заболеваний печени и легких.

5. В основном используется в нейрохирургии и общей хирургии.

6. Применяется для микрохирургических и бескровных операций.

Конструкция и работа углекислотного лазера, 5 применений, 5 преимуществ, недостатков

В лазере на молекулярном газе лазерное воздействие достигается переходами между колебательными и вращательными уровнями молекул.Его конструкция проста, а мощность этого лазера непрерывна.

В лазере на молекулярном газе Co2 переход происходит между колебательными состояниями молекул углекислого газа.

В лазере на диоксиде углерода молекулы газа Co2 используются в качестве активной среды, а инверсия населенностей достигается методом электрической накачки.

Активная среда представляет собой газовую смесь CO2, N2 и He.Лазерный переход происходит между колебательными состояниями молекул СО2.

Двуокись углерода (Co2) представляет собой симметричную молекулу (O = C = O) и имеет три режима колебаний:

• Симметричное растяжение.
• Гибка.
• Антисимметричное растяжение показано на рисунке.

В этом режиме колебаний атомы углерода находятся в состоянии покоя, и оба атома кислорода одновременно колеблются вдоль оси молекулы, удаляясь или приближаясь к фиксированным атомам углерода.

В этом режиме вибрации атомы кислорода и атомы углерода колеблются перпендикулярно оси молекулы.

В этом режиме колебаний атомы кислорода и атомы углерода колеблются асимметрично, то есть атомы кислорода движутся в одном направлении, а атомы углерода — в другом.

Компоненты Co2 Laser

Основным компонентом лазера на диоксиде углерода является среда в виде молекул газа CO2, называемая активной средой.Основные характеристики активной среды следующие:

• Он должен иметь пару энергетических уровней, разделенных определенным количеством энергии. Энергетический уровень, имеющий энергию, известен как верхний энергетический уровень или более высокий возбужденный энергетический уровень, а энергетический уровень, имеющий низкую энергию, известен как низкоэнергетическое или основное состояние.
• Он должен допускать инверсию населенностей между двумя уровнями энергии.

Это внешний источник энергии, который обеспечивает активную среду энергией, необходимой для создания состояния инверсии населенностей, необходимого для генерации.

Инверсия населенности достигается для усиления сигнала стимулированным излучением (или фотонным). Однако на практике большинство атомов в возбужденном состоянии излучают спонтанно и не вносят вклад в общий выход. Лишь несколько атомов в возбужденном состоянии излучают через стимулированное излучение, и общее усиление выходного сигнала рукой невелико.

Следовательно, нам необходим механизм положительной обратной связи, чтобы большая часть атома в возбужденном состоянии излучала через стимулированное излучение для внесения вклада в выходной ток.Используемое для вас устройство имеет механизм положительной обратной связи для максимального когерентного выхода, известный как резонатор или резонансная полость.

Таким образом, резонатор или резонатор — это устройство обратной связи , которое заставляет фотон перемещаться вперед и назад через активную среду. В этом процессе количество фотонов, испускаемых из-за вынужденного излучения, умножается.

Резонансный резонатор состоит из пары плоских или сферических зеркал, расположенных параллельно друг другу на конце активной среды.Одно из зеркал представляет собой полностью отражающее зеркало, а другое — частично пропускающее зеркало. Выходной сигнал лазера выводится через частично пропускающее зеркало, которое также называется выходным зеркалом ответвителя .

Инверсия населенностей в лазере на углекислом газе (CO2) достигается за счет накачки электрического разряда. В этом случае напряжение подается на электроды газоразрядной трубки, заполненной газовой смесью низкого давления, известной как усиливающая среда.

Приложенное напряжение создает в трубке электрическое поле. Это электрическое поле ускоряет электроны в газе. Эти электроны сталкиваются с атомом газа или активной средой и возбуждают свой атом на более высокие энергетические уровни или возбужденные энергетические уровни.

Если атом на нижнем энергетическом уровне переходит в возбужденное состояние быстрее, чем атом на более высоком энергетическом уровне переходит на нижние энергетические уровни, то заселение атома на более высоком энергетическом уровне больше, чем население атома на более низких энергетических уровнях.Таким образом достигается инверсия населенностей в газах.

состоит из трубки длиной 5 м и диаметром 2 см. Разряд создается за счет возбуждения постоянного тока. Резонансная полость образована конфокальными кремниевыми зеркалами, покрытыми алюминием. Давление He составляет около 7 торр, P (N2) ~ 1,2 торр, а P (CO2) ~ 0,33 торр. Коэффициент усиления перехода E (0,0,1) — E (1,0,0) выше, поэтому лазерный генератор на 10.6 мкм.

Чтобы получить колебание 9,0 мкм, какое-нибудь селективное устройство, такое как дифракционная решетка, помещается в резонатор. Максимальная мощность этого лазера составляет около 50-60 Вт / м. CO2-лазеры широко используются в промышленности.

Чтобы получить CO2-лазер, смесь Co2 и N2 в соотношении примерно 0,8: 1 заполняют газоразрядную трубку. Также в состав смеси входит гелий. Гелия в смеси больше, чем N2.Молекула Co2 действует как активная или лазерная среда, а молекула N2 помогает в достижении инверсии населенностей так же, как гелий используется в He-Ne лазере .

Когда через трубку проходит электрический разряд, излучается количество электронов, которое перекачивает молекулы азота в состояние V = 1.

В СО2-лазере разница в энергии между колебательными уровнями энергии азота и углекислого газа очень мала (т.е. около 0,3 эВ), и, следовательно, в газоразрядной трубке находится большое количество электронов с энергией более 0.3 эВ. Уровни энергии молекул CO2 показаны на рисунке.

Колебательное состояние для N2 — метастабильное состояние. Следовательно, он обеспечивает более длительное время столкновения возбужденных молекул N2 с атомной молекулой Co2 в основном состоянии.

В результате этого молекулы Co2 возбуждаются до энергетического состояния E (0,0,1). Следовательно, инверсия населенностей достигается, поскольку количество молекул CO2 в энергетическом состоянии E (0,0,1) намного больше, чем количество молекул Co2 в других колебательных состояниях, таких как E (1,0,0), E (0,0 , 2) и E (0,1,0).

Переход через процесс вынужденного излучения с уровня энергии E (0,0,1) на уровень энергии E (1,0,0) и E (0,2,0) приводит к появлению инфракрасных фотонов с длиной волны 20 мкм и 9,6 мкм и соответственно.

Функция добавления гелия в смесь Co2 и N2 многогранна.

• Это влияет на срок службы энергетической метки и не портит инверсию населенности.
• Гелий обладает высокой теплопроводностью и поэтому помогает отводить тепло к стенкам трубки, сохраняя CO2 холодным.Другими словами, гелий помогает опустошить нижний уровень.

• Конструкция СО2-лазера проста.
• Выход этого лазера непрерывный.
• Обладает высоким КПД.
• Обладает очень высокой выходной мощностью.
• Выходную мощность можно увеличить, увеличив длину газовой трубки.

• Загрязнение кислорода оксидом углерода будет иметь некоторое влияние на действие лазера.
• Рабочая температура играет важную роль в определении выходной мощности лазера.
• На отражающих пластинах может возникнуть коррозия.
• Случайное воздействие может повредить наши глаза, поскольку оно невидимо (в инфракрасной области) для наших глаз.

• Из-за высокой мощности CO2-лазера он часто используется в промышленных областях, таких как резка и сварка.
• используется для хирургии мягких тканей.
• используется в производстве.
• используется при проблемах по уходу за кожей для лечения различных доброкачественных (доброкачественных) и злокачественных (злокачественных) заболеваний.
• Применяется для микрохирургических и бескровных операций.

Конструкция и принцип работы лазерной трубки CO2

Устройство СО2-лазера

Базовая конструкция типичной запаянной трубки CO2-лазера показана на рисунке выше. Он состоит из трех частей: твердого стекла, резонатора и электрода.

Компонент состоит из материала GG17, вводимого в разрядную трубку, трубку с водяным охлаждением, трубку для хранения газа и трубку для циркуляции газа.Газоразрядная трубка является ключевым компонентом СО2-лазера, который в основном определяет характеристики выходной мощности лазера, а длина разрядной трубки и выходная мощность просто пропорциональны. Функция трубки с водяным охлаждением заключается в охлаждении лазерного газа для обеспечения стабильной выходной мощности и защиты газоразрядной трубки от термической дегенерации во время разрядной накачки. Функция трубы для хранения газа, с одной стороны, увеличивает емкость газоаккумулирующей среды, снижает изменение состава рабочего газа и давления во время рабочего процесса, продлевает срок службы и увеличивает механическую прочность и стабильность разрядная трубка.Трубка возврата воздуха представляет собой тонкую спиральную трубку, соединяющую два пространства между электродами в разрядной трубке, что может улучшить распределение дисбаланса межэлектродного напряжения, вызванного явлением электрофореза, а более длинная трубка возврата воздуха также предотвращает разряд между резервуарами для хранения газа. и электрод, гарантирующий, что разряд происходит только в разрядной трубке.

2. Резонансная полость

Эта часть состоит из полного зеркала и выходного зеркала.Полное зеркало резонатора обычно основано на оптическом стекле, а поверхность покрыта золотом. Коэффициент отражения золотого зеркала около 10,6 мкм составляет более 98%. Выходное зеркало резонатора обычно изготавливается из материала инфракрасного излучения, пропускающего 10,6 мкм. Ge является подложкой, она становится полным зеркалом в трубке с нанесенными слоями диэлектрической пленки.

3. Деталь электрода

CO2-лазеры обычно изготавливаются с холодным катодом цилиндрической формы. Материал катода имеет большое влияние на срок службы лазера.Основные требования к материалу катода: низкая скорость распыления и низкая скорость поглощения газа.

Теория работы лазерной трубки CO2

Молекула CO2 представляет собой линейную симметричную молекулу, и два атома кислорода находятся по обе стороны от атома углерода, что представляет собой положение равновесия атома. Атомы в молекуле всегда движутся, и они постоянно колеблются вокруг своего положения равновесия. Согласно теории молекулярных колебаний, CO2 имеет три различных режима колебаний:

Уровень энергии

Лазер на диоксиде углерода — это молекулярный лазер. Основное вещество — молекулы углекислого газа. Он может представлять различные энергетические состояния в зависимости от формы его колебаний и вращения.Основная энергетическая сеть показана на рисунке 1. Смешанный газ в двуокиси углерода представляет собой плазму (плазму), образованную газом низкого давления (обычно 30-50 Торр) из-за эмиссии электронов. Согласно закону распределения Максвелла-Больцмана, молекулы обладают множеством возбужденных состояний в плазме. Некоторые будут демонстрировать состояние высокой энергии (00o1), которое ведет себя как состояние асимметричного колебания. При столкновении с полой стенкой или естественном излучении эта молекула также случайно теряет энергию. Естественно испуская это высокоэнергетическое состояние, он упадет в симметричную колеблющуюся форму (10o0) и испускает фотоны (луч 10.Длина волны 6 мкм), которые могут распространяться в любом направлении. Иногда один из этих фотонов движется вниз по полости оптической оси и также будет колебаться в резонансном зеркале.

Процесс возбуждения

В трубке CO2-лазера основное рабочее вещество состоит из трех газов: CO2, азота и гелия. Среди них CO2 — газ, генерирующий лазерное излучение, азот и гелий — вспомогательные газы. С гелием он может ускорить предварительный процесс релаксации тепла на уровне энергии 010, что в большей степени способствует эвакуации уровней энергии лазера 100 и 020.Добавление азота в основном действует как передача энергии в трубке CO2-лазера, которая играет важную роль в накоплении ряда уровней энергии в CO2-лазере и в мощном и высокоэффективном выходе лазера. Условия возбуждения лазерной трубки CO2: в газоразрядную трубку обычно подается постоянный ток величиной в несколько десятков мА или несколько сотен мА. Во время разряда молекулы азота в газовой смеси в разрядной трубке возбуждаются ударами электронов.В это время возбужденные молекулы азота сталкиваются с молекулами СО2, молекулы N2 передают свою энергию молекулам СО2, а молекулы СО2 переходят с низкого энергетического уровня на высокий энергетический уровень, образуя инверсию числа частиц, излучающую лазерный свет. .

Примечание. Некоторые изображения и информация взяты из сети.

RP Photonics Encyclopedia — CO2-лазеры, углекислый лазер

Энциклопедия> буква C> CO ₂ лазеров

Определение: инфракрасные лазеры на основе газовой смеси, в которой свет усиливается молекулами углекислого газа

Альтернативный термин: лазеры на диоксиде углерода

Немецкий: CO ₂ -Лазер, Kohlendioxidlaser

Категория: лазеры

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

URL: https://www.rp-photonics.com/co2_lasers.html

CO ₂ лазер ( углекислый лазер ) представляет собой молекулярный газовый лазер на основе газовой смеси в качестве усиливающей среды, которая содержит углекислый газ (CO ₂ ), гелий (He), азот (N _2). ) и, возможно, немного водорода (H ₂ ), кислорода (O ₂ ), водяного пара и / или ксенона (Xe). Такой лазер имеет электрическую накачку с помощью электрического газового разряда, который может работать с постоянным током, с переменным током (например,грамм. 20–50 кГц) или в радиочастотном (RF) диапазоне.

Хотя прямое возбуждение молекул CO ₂ на верхний лазерный уровень возможно, оказалось, что наиболее эффективным является использование резонансной передачи энергии от молекул азота. Здесь молекулы азота возбуждаются электрическим разрядом на метастабильный колебательный уровень и передают свою энергию возбуждения молекулам CO ₂ при столкновении с ними. Тогда возбужденные молекулы CO ₂ в значительной степени участвуют в лазерном переходе.Гелий служит как для обезвоживания нижнего лазерного уровня, так и для отвода тепла. Другие компоненты, такие как водород или водяной пар, могут помочь (особенно в лазерах с герметичными трубками) повторно окислить оксид углерода (СО, образующийся в разряде) до диоксида углерода.

Спектральные линии

CO ₂ лазеры обычно излучают на длине волны 10,6 мкм, но есть десятки других лазерных линий в области 9–11 мкм (особенно на длине волны 9.6 мкм). Это связано с тем, что два различных колебательных состояния молекул CO ₂ могут использоваться в качестве нижнего уровня, и для каждого колебательного состояния существует значительное количество вращательных состояний, приводящих ко многим подуровням. Дипольные переходы (единственные с относительно высокой силой) возможны с Δ Дж = ± 1, где Δ Дж = 1 (R-ветвь) приводит к более высоким энергиям фотонов (более короткие длины волн) и Δ Дж = — 1 (ветвь P) для более низких энергий:

• Переходы более сильной полосы, включающие один из двух возможных конечных колебательных уровней, имеют свою P-ветвь около 10.6 мкм, причем P20 является доминирующим переходом, а R-ветвь составляет около 10,2 мкм.
• Переходы другой полосы имеют P-ветвь около 9,6 мкм и R-ветвь около 9,3 мкм.

С подходящим элементом настройки длины волны в лазерном резонаторе можно заставить лазер CO ₂ генерировать на одном из более чем дюжины переходов с относительно близко расположенными длинами волн в каждой ветви, но непрерывная настройка длины волны невозможна из-за дискретные вращательные состояния молекул.Без селективного по длине волны элемента в резонаторе можно получить одновременную генерацию на нескольких переходах или случайные переходы на другие переходы во время работы.

Выходные мощности и КПД

В большинстве случаев средняя выходная мощность составляет от нескольких десятков ватт до многих киловатт. Эффективность преобразования мощности может составлять от 10% до 20%, т. Е. Выше, чем у большинства газовых лазеров (из-за особенно благоприятного пути возбуждения), также выше, чем у твердотельных лазеров с ламповой накачкой, но ниже, чем у многих других. лазеры с диодной накачкой.

Из-за их высокой выходной мощности и большой длины волны излучения лазеры CO ₂ требуют высококачественной инфракрасной оптики, часто изготовленной из таких материалов, как селенид цинка (ZnSe) или сульфид цинка (ZnS).

Из-за своей высокой мощности и высокого напряжения возбуждения лазеры CO ₂ поднимают серьезные проблемы лазерной безопасности. Однако их большая рабочая длина волны делает их относительно безопасными для глаз при низкой интенсивности.

CO

Семейство CO _{2 лазеров} очень разнообразно:

• Для мощности лазера от нескольких ватт до нескольких сотен ватт обычно используются лазеры с запечатанной трубкой или без потока , в которых отверстие лазера и источник газа находятся в запечатанной трубке.Отработанное тепло переносится к стенкам трубки за счет диффузии (с весьма полезным действием гелия) или медленного потока газа. Такие лазеры компактны и прочны, а срок службы достигает нескольких тысяч часов. Здесь необходимо использовать методы непрерывной регенерации газа, в частности, для противодействия диссоциации CO ₂ путем каталитического повторного окисления CO. Качество луча может быть очень высоким.
• В мощных пластинчатых лазерах с диффузионным охлаждением (не путать с твердотельными пластинчатыми лазерами) газ находится в зазоре между парой плоских ВЧ-электродов с водяным охлаждением.Избыточное тепло эффективно передается электродам за счет диффузии, если расстояние между электродами сделать небольшим по сравнению с шириной электрода. Для эффективного извлечения энергии часто используют нестабильный резонатор с выходной связью на стороне сильно отражающего зеркала. Возможна мощность в несколько киловатт при приемлемом качестве луча.
• Лазеры с быстрым осевым потоком и Лазеры с быстрым поперечным потоком также подходят для многокиловаттной выходной мощности в непрерывном режиме и высокого качества луча.Избыточное тепло отводится быстро текущей газовой смесью, которая проходит внешний охладитель (теплообменник) перед тем, как снова использоваться в разряде. Газ можно непрерывно регенерировать и время от времени заменять. Лазеры с поперечным потоком достигают максимальной выходной мощности, но обычно с более низким качеством луча.
• Лазеры с поперечной возбужденной атмосферой (TEA) имеют очень высокое (около атмосферного) давление газа. Поскольку напряжение, необходимое для продольного разряда, было бы слишком высоким, поперечное возбуждение выполняется с помощью ряда электродов, расположенных вдоль трубки.TEA-лазеры работают только в импульсном режиме, поскольку газовый разряд не будет стабильным при высоких давлениях. Они часто производят среднюю выходную мощность ниже 100 Вт, но также могут быть изготовлены для мощности в десятки киловатт (в сочетании с высокой частотой повторения импульсов).
• Есть газодинамических CO ₂ лазеров (разновидность химических лазеров) для многомегаваттной мощности (например, для противоракетного оружия), где энергия обеспечивается не газовым разрядом, а химической реакцией в вид ракетного двигателя.

Эти концепции приводят к совершенно разным архитектурам лазеров с определенными сильными и слабыми сторонами, касающимися потенциала выходной мощности, качества луча, потребления газа и срока службы устройства.

Применение CO

Конкуренция с твердотельными лазерами

CO ₂ лазеры, используемые для лазерной обработки материалов (например, сварки и резки металлов или лазерной маркировки), конкурируют с твердотельными лазерами (особенно лазерами на YAG и волоконными лазерами), работающими в режиме длины волны 1 мкм.Эти более короткие длины волн обладают преимуществами более эффективного поглощения металлической заготовкой и возможностью доставки луча по волоконным кабелям. (Нет оптических волокон для мощных лазерных лучей 10 мкм.) Кроме того, лучи размером 1 мкм могут быть более сильно сфокусированы при условии высокого качества луча. Однако последний потенциал обычно не может быть реализован с помощью мощных лазеров с ламповой накачкой, а лазеры с диодной накачкой обычно бывают более дорогими. Что касается поглощения, лазерные лучи CO ₂ действительно подходят для некоторых материалов, таких как полимеры и керамика.Даже когда поглощение менее благоприятно, чем у твердотельного лазера, лазер CO ₂ может быть предпочтительным как относительно дешевое и надежное решение. Однако существенным недостатком является отсутствие мощных волоконных кабелей для лазерного излучения CO ₂ .

CO ₂ лазеры по-прежнему широко используются в сфере резки и сварки, особенно для деталей толщиной более нескольких миллиметров, и их продажи по-прежнему составляют значительную часть всех мировых продаж лазеров.Это может до некоторой степени измениться в будущем из-за разработки мощных лазеров на тонких дисках и современных волоконных кабелей в сочетании с методами, которые используют высокое качество луча таких лазеров.

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор примет решение о приеме на основании определенных критериев. По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, пожалуйста, свяжитесь с ним, например по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже откажетесь от своего согласия, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала проверяются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

Библиография

(Предлагайте дополнительную литературу!)

См. Также: газовые лазеры, молекулярные лазеры, лазерная маркировка, мощные лазеры, твердотельные лазеры, инфракрасная оптика
и другие товары в категории лазеры

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем веб-сайте, в социальных сетях, дискуссионном форуме, Википедии), вы можете получить здесь требуемый код.

HTML-ссылка на эту статью:

   
 Статья о CO  2  лазерах  
 в  
 Энциклопедия фотоники RP   

С изображением предварительного просмотра (см. Рамку чуть выше):

   
  alt = "article">   

Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/co2_lasers.html 
 статья о лазерах на CO  2  в энциклопедии RP Photonics]  

Лазеры на диоксиде углерода обеспечивают гибкость и мощность.

Лазеры на диоксиде углерода (CO ₂ ) остаются наиболее популярным выбором для промышленных приложений, поскольку они могут производить длительную мощность до нескольких киловатт с высоким КПД.В то же время их универсальность позволила использовать их для непромышленных приложений в исследованиях, где их длины волн в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне полезны, а также в медицинской хирургии. В последние годы в этой зрелой технологии появились новые конструкции, которые привели к созданию более компактных лазеров с большей выходной мощностью на единицу объема.

Принципы работы

Лазеры на диоксиде углерода основаны на переходах между колебательными модами простой молекулы CO ₂ (см.рис.1). Верхний лазерный уровень представляет собой асимметричную растягивающую моду n3, которая переходит в режим растяжения n1 или изгибную моду n2 с переходами на 10,6 и 9,6 мкм соответственно. Одновременные вращательные переходы создают большие семейства лазерных линий, так что лазеры CO ₂ могут генерировать либо узкие линии, либо эффективно в широкой полосе. РИСУНОК 1. Лазерное воздействие в углекислом газе (CO2) происходит на колебательных переходах. Цифры в скобках — уровни возбуждения симметричной растягивающей (n1), изгибной (n2) и асимметричной растягивающей (n3) мод.

Энергия возбуждения передается с помощью электрического разряда, но для достижения достаточной эффективности требуется смешивание CO ₂ с азотом (N ₂ ) и гелием (He). Азот захватывает энергию разряда и передает ее при столкновении молекулам CO ₂ , чье состояние n3 близко к той же энергии, что и первое колебательное состояние n2. Атомы гелия, в свою очередь, взаимодействуют с CO ₂ , чтобы эффективно уничтожить нижние уровни генерации, а также улучшить отвод тепла от газовой смеси.Общий КПД лазеров CO ₂ составляет примерно от 5% до 20%, а выходная мощность, в зависимости от конструкции, может составлять от сотен милливатт до сотен киловатт.

Основные типы лазеров

Хотя все лазеры CO ₂ работают на одних и тех же принципах, большая часть универсальности таких лазеров проистекает из существования нескольких различных конструкций, которые различаются по способу использования рабочего газа и способам их использования. удалить отходящее тепло (см. рис. 2). Самой простой конструкцией является лазер на CO ₂ с герметичной трубкой, стеклянная трубка которого заполнена смесью CO ₂ -N ₂ -He.Зеркала на каждом конце образуют резонансную полость. Поскольку электрический разряд быстро разрушает CO ₂ , обычно в течение нескольких минут добавляется водород или водяной пар для реакции с монооксидом углерода и кислородом для преобразования CO ₂ . Катод из никеля, нагретый до 300 ° C, также может катализировать реакцию рекомбинации. Любая процедура увеличивает срок службы до нескольких тысяч часов. РИСУНОК 2. Основными типами СО2-лазеров являются обычный лазер в герметичной трубке с возбуждением продольным разрядом постоянного тока (вверху слева), волноводный лазер с возбуждением ВЧ (вверху справа), продольный поток газа. лазер (внизу слева) и лазер с поперечным потоком (внизу справа).Лазеры с медленным и быстрым осевым потоком различаются скоростью прохождения газа через трубку; более быстрый поток позволяет лазеру работать холоднее и эффективнее, поэтому он может генерировать больше энергии.

Первоначальные версии лазеров с герметичными трубками использовали электрический разряд постоянного тока, проходящий по длине трубки, который давал мощность, пропорциональную длине трубки — около 40-50 Вт / м. В более поздних конструкциях используется высокочастотный разряд, перпендикулярный длине трубки. В частности, разработка более мощных лазеров на герметичных трубках на основе пластинчатой ​​технологии увеличивает диапазон применения этого типа.

Если герметичную трубку заменить волноводом с внутренним диаметром несколько миллиметров, мы получим второй основной тип — волноводный лазер. Волноводный лазер имеет меньший объем генерации и, следовательно, меньшую выходную мощность, обычно менее 50 Вт, но имеет высококачественный луч и может быть легко настроен на любую дискретную линию CO ₂ . Его компактный размер позволяет ему конкурировать в некоторых приложениях с гелий-неоновым лазером, но он намного мощнее, вырабатывая ватты, а не милливатты.

Выходная мощность лазера с запаянной трубкой ограничена необходимостью отвода тепла от лазерного газа. Для увеличения мощности в других конструкциях используется проточный газ, так что тепло может отводиться конвекцией, а не теплопроводностью, и, следовательно, с гораздо более высокими скоростями. В газовых лазерах с медленным течением газ под низким давлением течет вдоль оси лазерной трубки, производя около 80–100 Вт / м. В некоторых конструкциях несколько трубок могут быть объединены в одну рубашку охлаждающей жидкости.

Увеличение скорости газа создает лазер с быстрым осевым потоком, с теплообменником, охлаждающим газ на выходе из трубки.Затем газ рециркулирует, небольшое количество которого заменяется новым газом в каждом цикле. Несколько параллельных трубок соединены последовательно оптически с зеркалами, производящими около 1 кВт выходной мощности на каждые четыре-восемь трубок (см. Рис. 3). Такие лазеры обычно производят мощность до 5 кВт. РИСУНОК 3. Трубки с медленным осевым потоком могут генерировать более высокую мощность, если несколько из них расположены параллельно, либо на плоской поверхности, либо в кольце, и охлаждаются с обеих сторон.

Для самых высоких уровней мощности и поток газа, и электрический разряд проходят поперек оси луча, что позволяет протекать большему количеству газа при той же скорости потока и, таким образом, позволяет отводить большее количество тепла (см.рис.4 на стр. 136). Коммерческие лазеры этой конструкции обеспечивают до около 100 кВт непрерывной мощности, что является максимальной доступной мощностью, или около 10 кВт / м длины трубки. Однако относительно короткие трубки обеспечивают более низкое качество луча, чем конструкции с осевым потоком. РИСУНОК 4. Выходной спектр TEA CO2-лазера показывает энергию импульса промышленного лазера, настроенного на одиночные линии. R и P — это семейства вращательных подуровней, R указывает, что молекула упала на более низкий вращательный уровень (высвобождая больше энергии, чем колебательный переход), а P указывает, что она перескочила на более высокий вращательный уровень (высвобождая меньше энергии, чем колебательный переход).

Все эти типы лазеров обычно работают в непрерывном режиме. Для этих лазеров нестабильность разряда ограничивает внутреннее давление газа примерно до 100 Торр. Для импульсного режима с длительностью импульсов от десятков наносекунд до микросекунд допускается намного более высокое давление, близкое к атмосферному или превышающее его. Конечно, более высокое давление с большим количеством газа на объем увеличивает плотность энергии, доступную для лазерного импульса. Созданные таким образом лазеры называются атмосферными лазерами с поперечным возбуждением или ТЭА-лазерами, где «атмосферный» относится к внутреннему давлению, а не к составу газов.

Учитывая это более высокое давление, TEA-лазеры могут быть построены так же, как и другие типы, с герметичными трубками или медленным, быстрым, осевым или поперечным потоком газа. Однако электрический разряд всегда перпендикулярен оси пучка. Поскольку высокое давление расширяет эмиссионные линии, синхронизацию мод можно использовать для создания импульсов наносекундной длительности. Кроме того, при давлениях около 10 атм уширение линии позволяет практически непрерывно настраиваться в широком диапазоне длин волн, что является преимуществом для многих исследовательских и измерительных приложений.

Новые разработки

Вероятно, наиболее важной недавней разработкой в ​​области разработки лазеров на CO ₂ стало усовершенствование лазеров на герметичных трубках с пластинчатым разрядом от компании Coherent Inc. (Санта-Клара, Калифорния). Основным нововведением является замена обычно используемых узких электродов прямоугольными или пластинчатыми (см. Рис. 5 на стр. 137). Хотя зазор между электродами составляет всего 2 мм, что обеспечивает эффективное охлаждение газа, пластины довольно широкие, поэтому мощность зависит от площади электрода (1 Вт / см ² ), а не от длины трубки.Например, для получения выходной мощности 500 Вт, мощности, достигнутой в 1996 году, электрод должен иметь ширину всего 5 см и длину 1 м, в то время как длина обычного лазера с герметичной трубкой должна быть 10 м. Технология была впервые представлена ​​в начале 1990-х годов и продолжает расширяться в все более и более высокие диапазоны мощности, недавно преодолев отметку в 1 кВт. РИСУНОК 5. Внутрирезонаторный луч полностью заполняет прямоугольную область плазменного разряда лазера с пластинчатым разрядом (вверху ). Разряд ограничен двумя прямоугольными пластинчатыми электродами, расположенными на расстоянии 2 мм друг от друга; зазор обеспечивает эффективное охлаждение газа и высокий коэффициент усиления (внизу).

В лазерах с пластинчатым разрядом резонатор генерации не такой же формы, как выходной луч, поэтому необходимы оптические средства, чтобы распределять генерацию по всему объему, но при этом получать плотный выходной луч. Это достигается за счет использования двух полностью отражающих сферических зеркал разного радиуса на двух концах оптического резонатора. Зеркало на выходном конце не закрывает небольшой участок этого конца, позволяя выходить узкому лучу.

Поиск более мощных и более компактных лазеров привел некоторых исследователей к экспериментам с новыми режимами газового потока.В исследованиях, проведенных в Самарском университете инженеров железнодорожного транспорта (Самара, Россия), В. Т. Волов продемонстрировал очень высокие плотности мощности, введя газ в высокоскоростной вихрь внутри резонатора генерации. Естественная турбулентность, создаваемая вихревым потоком, и более низкое давление около оси в совокупности обеспечивают высокую скорость теплопередачи. Волов продемонстрировал, что электрическая мощность, вводимая в разряд, достигает 300 Вт / см ² без перегрева.

Резка металла и подъемные ячейки

Лазеры CO ₂ чаще всего применяются в производстве, где их высокая непрерывная мощность идеально подходит для резки и сварки.Хотя некоторые металлы отражают 90% излучения при длине волны 10 мкм, пластмассы, керамика, ткань и резина хорошо поглощают на этой длине волны. Кроме того, титан, металл, который трудно резать механически, сильно поглощает на длине волны 10 мкм, поэтому лазеры CO ₂ особенно подходят для этого материала. Лазеры обладают значительными преимуществами по сравнению с механическими средствами резки — при размере пятна от 50 мкм можно вырезать сложные узоры под управлением небольшого компьютера, так что прототипы могут быть легко созданы и изменены.

Еще одно важное применение с высокой мощностью — термообработка, при которой лазерный луч оптически распространяется по большой площади для быстрого изменения кристаллической структуры поверхности продукта, увеличения долговечности и прочности. Импульсы очень высокой мощности, возможные с помощью TEA-лазеров, также могут использоваться для термического удаления краски с поверхностей. Такие лазеры могут выдавать импульсы мощностью 8 Дж с частотой повторения до пары сотен герц.

При более низких мощностях, около 100 Вт, лазеры с герметичными трубками все чаще заменяют маркировку продукции у струйных систем.Лазерные метки более стойкие, а лазеры требуют меньшего обслуживания, чем струйные принтеры, которые склонны к засорению.

Другое применение лазеров CO ₂ — дистанционное зондирование, где их большая длина волны и возможность настройки делают их идеальными для обнаружения широкого диапазона молекул. Большинство молекул демонстрируют характерные вращательно-колебательные ИК-спектры поглощения в том же диапазоне 10 мкм, что и лазеры CO ₂ . Например, облучая участки атмосферы и настраивая лазер на ИК-диапазон, можно получить удаленные ИК-спектры, обнаруживающие низкие уровни содержащихся в воздухе газов и загрязняющих веществ.

Чувствительность лазерных спектроскопических систем CO ₂ постоянно улучшается. В недавних исследованиях уровни обнаружения в лабораторных пробах газа в несколько частей на триллион были достигнуты с помощью фотоакустического эффекта. В этих экспериментах энергия, поглощенная импульсом лазерного излучения, преобразуется следовыми газами в крошечный импульс давления, который может улавливаться чувствительным микрофоном.

Возможности дистанционного зондирования не ограничиваются газами. Группа ученых, работающая в Организации научных и промышленных исследований Содружества (Сидней, Австралия), использовала перестраиваемый по воздуху лазер CO ₂ для картирования различных типов минералов на Земле.Путем переключения между 100 длинами волн каждые 2 мс были получены достаточно подробные спектры отражения, чтобы различить кремний и карбонатные минералы.

В медицине уже давно используются мощные CO ₂ лазеры в хирургии, где непрерывный луч прижигает, когда режет. Однако маломощные лазеры находят применение и в медицинских исследованиях, поскольку они способны концентрировать тепло на крошечной площади. Например, исследователи из Национального института рака (Бетесда, Мэриленд) использовали импульс от лазера CO ₂ для отбора определенных человеческих клеток из сложного среза ткани.Под микроскопом на образец ткани накладывается слой термочувствительного адгезивного материала, и исследователи отмечают клетки, которые необходимо выбрать. Лазер облучает пленку выбранными клетками, активируя клей, и клетки поднимаются на другое предметное стекло.

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЧТЕНИЕ

Laser Focus World 32 (7), 22 (июль 1996).

К. Бондели, Laser Focus World 32 (8), 95 (август 1996).

M. R. Emmert-Buck et al., Science 274, 998 (8 ноября 1996 г.).

стр.Repond and M. W. Sigrist, Appl. Опт. 35, 4065 (июль 1996 г.).

Волов В.Т., SPIE Vol. 2907, 256 (февраль 1996 г.).

CO2-лазеры: промышленная рабочая лошадка | лазеры | Справочник по фотонике

Thorsten Frauenpreiss, Rofin-Sinar Laser GmbH

Хотя лазер CO ₂ разделяет промышленные нагрузки с лазером Nd: YAG, оба они используются для разных приложений и методов обработки. Такое разделение труда частично объясняется различными преимуществами обработки, которыми каждый обладает, а частично — традициями.

CO ₂ лазеры используются в основном для резки, но сварочные приложения обладают наибольшим потенциалом роста благодаря внедрению экономичных источников пучка высокой мощности, способных обеспечивать более глубокое проникновение и более высокую скорость обработки. Кроме того, исчезают препятствия на пути внедрения лазерной сварки в отдельные производственные процессы.

Присмотритесь

CO ₂ лазеры излучают на длине волны 10,6 мкм и имеют электрический КПД примерно от 10 до 15 процентов.Их газовая смесь состоит в основном из гелия для рассеивания тепла, но также содержит диоксид углерода, активную для лазера среду, и азот, в котором газовый разряд создает энергию, необходимую для возбуждения.

При обработке материалов отвод тепла (от 85 до 90 процентов входящей электрической энергии) обычно достигается с помощью теплообменников, через которые газ перекачивается через турбины, нагнетатели или вентиляторы перекрестного потока. Эти лазеры можно охарактеризовать как осевые и поперечно-проточные, а также по геометрии резонатора: однократное или многократное сворачивание в квадрат или треугольник.

Для лазеров с осевым и поперечным потоком требуется постоянная подача свежего газа для поддержания достаточной эффективности для оптимальной работы. Беспоточные лазеры, в которых смесь лазерного газа в разрядной полости охлаждается только методами теплопроводности, обычно используются при относительно низких мощностях.

Дополнительная классификация отражает тип потребляемой энергии. В лазерах постоянного тока (DC) электрическая энергия передается с газом напрямую через металлические электроды, между которыми возникает газовый разряд. В лазерах с осевым потоком этот разряд происходит в направлении потока; в лазерах с поперечным потоком это обычно происходит перпендикулярно потоку газа и оси резонатора.

Лазеры постоянного тока могут производиться экономично и обеспечивать сравнительно высокий общий КПД, что делает их наиболее экономичным выбором для широкого спектра применений.

РЧ возбуждение

Другим средством передачи электрической энергии в газ является радиочастота (РЧ). В большинстве ВЧ-лазеров разряд направлен перпендикулярно оси резонатора. Модулируя мощность, такие лазеры можно регулировать в широком диапазоне мощности и импульсами с высокой повторяемостью. Недостаток — пониженный общий КПД — приемлем, особенно для мощностей лазеров (> 2 кВт), для которых износ электродов лазеров постоянного тока приводит к увеличению объема работ по обслуживанию.

Старые генераторы ВЧ состоят из генератора, генерирующего радиочастоту, и лампы усилителя. Современные генераторы выполнены в виде автогенераторов и состоят только из лампы усилителя ВЧ. Благодаря своей простоте по сравнению с генераторами-генераторами / усилителями ВЧ-генераторы обеспечивают повышенную надежность при минимальных затратах на техническое обслуживание и обеспечивают более высокую эффективность возбуждения при низких эксплуатационных расходах. Конструкции резонаторов

Термическая стабильность оптически стабильных резонаторов ограничивается тепловыми эффектами выходного зеркала, особенно для мощных лазеров с малым диаметром пучка. В этом случае можно использовать нестабильные резонаторы, но их чувствительность к перекосам может привести к значительным потерям мощности.

Поскольку оптически нестабильные резонаторы можно легко адаптировать к геометрии возбужденной лазерно-активной среды, эта концепция была применена при разработке пластинчатых лазеров CO ₂ . В сочетании с термостойким алмазным окном, пропускающим луч через камеру резонатора, зеркала с поверхностным охлаждением, изготовленные из теплопроводящего материала, гарантируют высокую термическую стабильность даже при высокой интенсивности луча пластинчатого лазера.

Требуется осторожность

При разработке лазера CO ₂ необходимо соблюдать следующее правило: чем больше диаметр луча, тем ниже тепловая нагрузка на оптическую систему. Это приводит к увеличению срока службы.Используйте как можно меньше зеркал в резонаторе, потому что более простая конструкция снижает инвестиционные, эксплуатационные и сервисные расходы.

CO ₂ лазеры, в которых газ течет перпендикулярно оси резонатора, называются лазерами с поперечным потоком. В этой конструкции относительно медленный поток газа уносит тепло от большой разрядной полости. Оптическая мощность может генерироваться только между двумя сложенными зеркалами в многократно сложенном резонаторе. Таким образом, недорогие компактные мощные лазеры, мощность и качество пучка которых (многомодовые, K> 0.14) идеально подходит для большинства сварочных работ.

Помимо их пригодности для лазерной сварки, лазеры CO ₂ с поперечным потоком имеют следующие преимущества:

• В системе циркуляции газа лазера не используются трубки из кварцевого стекла, которые обычно необходимо заменять каждые 8000–10 000 часов.

• Эксплуатационные расходы низкие по сравнению с лазерами с осевым потоком аналогичной выходной мощности из-за низкого потребления энергии и газа.

• Их простая конструкция содержит всего несколько компонентов, подверженных износу.Кроме того, тихоходные тангенциальные нагнетатели обеспечивают высокую надежность, что важно для автоматизированных производственных линий.

В большинстве лазеров CO ₂ используется принцип быстрого осевого потока, поскольку он обеспечивает необходимое качество луча для большинства приложений резки. В этом методе разряд происходит в трубке, по которой газовая смесь течет с высокой скоростью, что обеспечивает эффективный отвод тепла.

Для достижения такого высокого расхода обычно используются воздуходувки Рутса, радиальные нагнетатели или турбины.На рисунке 3 показано, что несколько функциональных сегментов могут быть оптически соединены последовательно для увеличения мощности в резонаторе, в то же время сохраняя конструктивные особенности отдельных сегментов (то есть стабильность разряда и условия потока). Таким образом можно собрать лазеры с одинаковыми базовыми элементами для разных мощностей пучка.

Возможны быстрые осевые CO ₂ лазеры с выходной мощностью пучка от нескольких сотен ватт до более 20 кВт. Типичной особенностью почти всех быстрых лазеров с осевым потоком является разделение блока управления и лазерной головки, последняя содержит компоненты, необходимые для генерации луча, циркуляции газа и охлаждения.

В первых лазерах на СО ₂ газовая смесь помещалась в разрядную трубку.Несмотря на эффективное охлаждение внешней стенки трубы, можно было получить только около 50 Вт мощности луча на метр длины трубы. Это препятствовало созданию компактных мощных лазеров.

Еще одним значительным преимуществом этого лазера является практически незначительный расход газа.В отличие от проточных газовых лазеров, свежий лазерный газ нужно добавлять только через определенные промежутки времени. Небольшой 10-литровый баллон, содержащий газовую смесь, расположен в лазерной головке и служит более года, что устраняет необходимость во внешней подаче газа и логистике для постоянной замены баллонов.

Более простая интеграция

Лазерная головка меньшего размера упрощает интеграцию в обрабатывающие машины и делает возможными системы с подвижной головкой. Для больших порталов, таких как строительство судов или заводов, можно гарантировать лучшее качество балки по всей рабочей зоне.Это особенно важно при резке.

Основными преимуществами этой технологии являются: очень компактная и практически неизнашиваемая конструкция; высокое качество луча; не требуется газовый теплообменник; низкие оптические потери; очень высокая термостойкость; низкий расход газа и отсутствие необходимости в внешних газовых баллонах; отсутствие потока газа и, как следствие, отсутствие загрязнения оптики резонатора; и низкие эксплуатационные расходы.

Sealed CO _{2 плоских лазера} основаны на точно такой же технологии.Все они герметичны, что обеспечивает срок службы между заменами газа более 20 000 часов работы. Такие лазеры используются в основном для резки тканей, стекла и керамики с выходной мощностью от 25 до 600 Вт.

Широкий спектр лазерных технологий и систем позволяет решать большое количество задач промышленного производства.