Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Газ лазерінің түрі
Form of gas laser
Көмірқышқыл газы лазері (CO2 лазері) ең алғашқы дамытылған газ лазерлерінің бірі болды. Оны 1964 жылы Bell Labs қызметкері Кумар Патель ойлап тапқан және ол әлі күнге дейін ең пайдалы лазер түрлерінің бірі болып саналады. Көмірқышқыл газы лазерлері қазіргі таңда қол жетімді ең жоғары қуатты үздіксіз толқынды лазерлер болып табылады. Олар сондай-ақ өте тиімді: шығыс қуатының сорғы қуатына қатынасы 20%-ға дейін жете алады. CO2 лазері негізгі толқын ұзындығы 9,6 және 10,6 микрометр (мкм) шамасындағы инфрақызыл сәуле шығарады.
The carbon dioxide laser (CO2 laser) was one of the earliest gas lasers to be developed. It was invented by Kumar Patel of Bell Labs in 1964 and is still one of the most useful types of laser. Carbon dioxide lasers are the highest power continuous wave lasers that are currently available. They are also quite efficient: the ratio of output power to pump power can be as large as 20%. The CO2 laser produces a beam of infrared light with the principal wavelength bands centering on 9.6 and 10.6 micrometers (μm).
Көшейткіш
Белсенді лазерлік орта (лазерлік күшейту/көшейткіш орта) – қолданылатын қуатқа байланысты ауамен немесе сумен салқындатылатын газдық разряд. Жабық түтікшедегі толтыру газы шамамен 10–20% көмірқышқыл газынан, шамамен 10–20% азоттан, бірнеше пайыз сутектен және/немесе ксенондан (Xe), ал қалғаны гелийден (He) тұрады. Ағып өтетін лазерде мүлдем басқа қоспа қолданылады, ол үнемі сорғыланады. Нақты пропорциялар лазердің түріне қарай өзгереді. Лазердегі популяциялық инверсия келесі тізбек бойынша жүзеге асырылады: электрондардың соққысы азоттың {v1(1)} кванттық тербеліс режимдерін қозғайды. Азот гомоядролық молекула болғандықтан, ол бұл энергияны фотон шығару арқылы жоғалта алмайды, сондықтан оның қозғайтын тербеліс режимдері метастабильді және салыстырмалы түрде ұзақ өмір сүреді. {v1(1)} және {v3(1)} өте жақын резонансты (агармониясыздық, центробегтік бұрмалау және виброротациялық өзара әрекеттесуді ескергенде, жалпы молекулалық энергия айырмашылығы 3 см−1 құрайды, бұл трансляциялық режимдегі энергияның Максвелл жылдамдық таралуымен толық өтеледі) көрсетеді, соқтығысу арқылы энергиясын CO2 молекуласына беру арқылы дезэкситацияланады, бұл көмірқышқыл газын {v3(1)} (ассимметриялық созу) тербеліс режимінің кванттық күйіне қозғайды. Содан кейін ол 10.6 мкм сәулеленуді {v1(1)} (симметриялық созу) тербеліс режиміне немесе 9.6 мкм (изотоптық) сәулеленуді {v20(2)} (иілу) тербеліс режиміне түсу арқылы шығарады. Көмірқышқыл газы молекулалары содан кейін суық гелий атомдарымен соқтығысу арқылы {v1(1)} немесе {v20(2)} тербеліс режимінен {v20(0)} негізгі күйіне өтеді, осылайша популяциялық инверсияны сақтайды. Нәтижесінде пайда болатын ыстық гелий атомдарын көмірқышқыл газы молекулаларында популяциялық инверсияны жасау қабілетін сақтау үшін салқындату қажет. Жабық лазерлерде бұл гелий атомдары лазерлік разряд түтігінің қабырғасына соққанда жүзеге асырылады. Ағып өтетін лазерлерде CO2 және азоттың үздіксіз ағыны плазмалық разрядпен қозғалады және ыстық газ қоспасы сорғылармен резонатордан шығарылады. Гелийдің қосылуы, метастабильді He(23S1) -мен жақын резонанстық диссоциация реакциясының нәтижесінде, оның бастапқы тербелістік қоздырылуында да рөл атқарады. Гелийді неон немесе аргон сияқты басқа асыл газдармен алмастыру лазерлік шығысты арттырмайды. Молекулалық тербеліс және айналу режимдерінің кванттық күйлерінің қоздыру энергиясы төмен болғандықтан, осы кванттық күйлер арасындағы ауысудан туындайтын фотондардың энергиясы салыстырмалы түрде төмен және толқын ұзындығы көрінетін және жақын инфрақызыл сәуледен ұзақ болады. CO2 лазерлерінің 9–12 мкм толқын ұзындығы пайдалы, себебі ол атмосфералық берілу үшін маңызды терезеге түседі (осы толқын ұзындығында атмосфералық берілу 80% дейін жетеді) және көптеген табиғи және синтетикалық материалдар осы диапазонда күшті сипаттамалық сіңіруге ие. Лазерлік толқын ұзындығын разряд түтігіндегі молекулаларды құрайтын көміртек пен оттегі атомдарының изотоптық қатынасын өзгерту арқылы реттеуге болады.
The active laser medium (laser gain/amplification medium) is a gas discharge which is air or water cooled, depending on the power being applied. The filling gas within a sealed discharge tube consists of around 10–20% carbon dioxide , around 10–20% nitrogen , a few percent hydrogen and/or xenon (Xe), with the remainder being helium (He). A different mixture is used in a flow through laser, where is continuously pumped through it. The specific proportions vary according to the particular laser. The population inversion in the laser is achieved by the following sequence: electron impact excites the {v1(1)} quantum vibrational modes of nitrogen. Because nitrogen is a homonuclear molecule, it cannot lose this energy by photon emission, and its excited vibrational modes are therefore metastable and relatively long lived. {v1(1)} and {v3(1)} being nearly perfectly resonant (total molecular energy differential is within 3 cm−1 when accounting for anharmonicity, centrifugal distortion and vibro rotational interaction, which is more than made up for by the Maxwell speed distribution of translational mode energy), collisionally de excites by transferring its vibrational mode energy to the CO2 molecule, causing the carbon dioxide to excite to its {v3(1)} (asymmetric stretch) vibrational mode quantum state. The then radiatively emits at either 10.6 μm by dropping to the {v1(1)} (symmetric stretch) vibrational mode, or 9.6 μmname=isotopic by dropping to the {v20(2)} (bending) vibrational mode. The carbon dioxide molecules then transition to their {v20(0)} vibrational mode ground state from {v1(1)} or {v20(2)} by collision with cold helium atoms, thus maintaining population inversion. The resulting hot helium atoms must be cooled in order to sustain the ability to produce a population inversion in the carbon dioxide molecules. In sealed lasers, this takes place as the helium atoms strike the walls of the laser discharge tube. In flow through lasers, a continuous stream of CO2 and nitrogen is excited by the plasma discharge and the hot gas mixture is exhausted from the resonator by pumps. The addition of helium also plays a role in the initial vibrational excitation of , due to a near resonant dissociation reaction with metastable He(23S1). Substituting helium with other noble gases, such as neon or argon, does not lead to an enhancement of laser output. Because the excitation energy of molecular vibrational and rotational mode quantum states are low, the photons emitted due to transition between these quantum states have comparatively lower energy, and longer wavelength, than visible and near infrared light. The 9–12 μm wavelength of CO2 lasers is useful because it falls into an important window for atmospheric transmission (up to 80% atmospheric transmission at this wavelength), and because many natural and synthetic materials have strong characteristic absorption in this range. The laser wavelength can be tuned by altering the isotopic ratio of the carbon and oxygen atoms comprising the molecules in the discharge tube.
Құрылыс
CO2 лазерлері инфрақызыл сәуледе жұмыс істейтіндіктен, оларды құрастыру үшін арнайы материалдар қажет. Әдетте, айналар күміспен қапталады, ал терезелер мен линзалар германийден немесе мырыш селенидінен жасалады. Жоғары қуатты қолданыстар үшін алтын айналар және мырыш селенидінен жасалған терезелер мен линзалар артықшылықты болады. Сондай-ақ алмаз терезелер мен линзалар да қолданылады. Алмаз терезелер өте қымбат, бірақ олардың жоғары жылу өткізгіштігі мен беріктігі жоғары қуатты қолданыстарда және лас ортада пайдалануға мүмкіндік береді. Алмаздан жасалған оптикалық элементтерді оптикалық қасиеттерін жоғалтпай құммен шашыратуға болады. Тарихи тұрғыдан алғанда, линзалар мен терезелер тұздан (натрий хлориді немесе калий хлориді) жасалатын. Материал арзан болғанымен, линзалар мен терезелер атмосфералық ылғалға ұшырағанда бірте-бірте тозады. CO2 лазерінің ең қарапайым түрі газдық разрядтан (жоғарыда көрсетілгендей қоспасы бар) тұрады, бір жағынан толық рефлектор, екінші жағынан шығыс қосқышы (ішінара шағылыстыратын айна) болады. CO2 лазерін үздіксіз толқын (CW) режимінде милливатттан (mW) жүздеген киловаттқа (kW) дейін қуатпен құрастыруға болады. Айналатын айна немесе электрооптикалық қосқыш арқылы CO2 лазерін белсенді түрде Q-қосу өте оңай, бұл Q-қосу арқылы гигаваттқа (GW) дейін жететін қуатты импульстарды тудырады. Лазерлік өтулер іс жүзінде сызықтық үш атомды молекуланың тербеліс-айналу жолақтарында болатындықтан, P және R жолақтарының айналу құрылымын лазер қуысындағы түзету элементі арқылы таңдауға болады. Призмалар түзету элементтері ретінде тиімді емес, себебі орта инфрақызыл сәуледе көптеген материалдар жарықтың бір бөлігін сіңіреді немесе шашыратады, сондықтан жиілікті түзету элементі көбінесе дифракциялық тор болып табылады. Дифракциялық торды бұру арқылы тербеліс өтуінің белгілі бір айналу сызығын таңдауға болады. Жиіліктің ең жоғары дәлдігі эталонды пайдалану арқылы қол жеткізіледі. Іс жүзінде, изотоптық алмастырумен бірге, бұл шамамен 1 см-1 (30 ГГц) аралықта 880-ден 1090 см-1 дейінгі жиіліктердің үздіксіз қатарын пайдалануға болады. Мұндай "желілік түзетуге болатын" көмірқышқыл газы лазерлері негізінен ғылыми-зерттеу салаларында қызығушылық тудырады. Лазердің шығыс толқын ұзындығы көмірқышқыл газы молекуласындағы белгілі бір изотоптарға байланысты, ал ауыр изотоптар ұзын толқынды сәулелендіруге себеп болады. Селективті лазерлік күйдіру кезінде CO2 лазерлері пластикалық ұнтақ бөлшектерін біріктіру үшін қолданылады.
Because CO2 lasers operate in the infrared, special materials are necessary for their construction. Typically, the mirrors are silvered, while windows and lenses are made of either germanium or zinc selenide. For high power applications, gold mirrors and zinc selenide windows and lenses are preferred. There are also diamond windows and lenses in use. Diamond windows are extremely expensive, but their high thermal conductivity and hardness make them useful in high power applications and in dirty environments. Optical elements made of diamond can even be sand blasted without losing their optical properties. Historically, lenses and windows were made out of salt (either sodium chloride or potassium chloride). While the material was inexpensive, the lenses and windows degraded slowly with exposure to atmospheric moisture. The most basic form of a CO2 laser consists of a gas discharge (with a mix close to that specified above) with a total reflector at one end, and an output coupler (a partially reflecting mirror) at the output end. The CO2 laser can be constructed to have continuous wave (CW) powers between milliwatts (mW) and hundreds of kilowatts (kW). It is also very easy to actively Q switch a CO2 laser by means of a rotating mirror or an electro optic switch, giving rise to Q switched peak powers of up to gigawatts (GW). Because the laser transitions are actually on vibration rotation bands of a linear triatomic molecule, the rotational structure of the P and R bands can be selected by a tuning element in the laser cavity. Prisms are not practical as tuning elements because most media that transmit in the mid infrared absorb or scatter some of the light, so the frequency tuning element is almost always a diffraction grating. By rotating the diffraction grating, a particular rotational line of the vibrational transition can be selected. The finest frequency selection may also be obtained through the use of an etalon. In practice, together with isotopic substitution, this means that a continuous comb of frequencies separated by around 1 cm−1 (30 GHz) can be used that extend from 880 to 1090 cm−1. Such "line tuneable" carbon dioxide lasers are principally of interest in research applications. The laser's output wavelength is affected by the particular isotopes contained in the carbon dioxide molecule, with heavier isotopes causing longer wavelength emission. In selective laser sintering, CO2 lasers are used to fuse particles of plastic powder into parts.
Медициналық (мұсақ тіндер хирургиясы)
Көмірқышқыл газы лазерлері хирургиялық процедураларда кеңінен қолданылатын болды, себебі су (адам организмінің көп бөлігін құрайтын) осы жиілікті жарық сәулесін өте жақсы сіңіреді. Медициналық қолданысқа мысалдар: лазерлік хирургия және терінің жаңаруы ("лазерлік бетке жасалған әрекет", мағынасы – коллаген түзілуін ынталандыру үшін терінің булануы). CO2 лазерлері кейбір тері ауруларын, мысалы, hirsuties papillaris genitalis сияқты, ісіктерді немесе түйіршіктерді алып тастау арқылы емдеуге қолданылуы мүмкін. CO2 лазерлері дауыс байланыстарындағы кісталар сияқты зақымдануларды жою үшін де қолданылады. Израильдік ғалымдар дәстүрлі тігістердің орнына адам тіндерін біріктіру үшін CO2 лазерін пайдалануды тәжірибелеп жатыр. 10.6 мкм CO2 лазері жұмсақ тіндерге кесу және гемостазды фототермиялық (сәулелік) түрде жүзеге асыру үшін ең қолайлы хирургиялық лазер болып табылады. CO2 лазерлері көптеген процедураларда скальпельдің орнына қолданылуы мүмкін, тіпті скальпель қолданылмайтын, механикалық зақым хирургиялық аймаққа нұқсан келтіруі мүмкін нәзік жерлерде де қолданылады. CO2 лазерлері адам және жануарлар хирургиясының жұмсақ тіндеріне арналған процедуралар үшін, басқа толқын ұзындығы бар лазерлерге қарағанда тиімдірек. Артықшылықтары: қан кетудің азаюы, операция уақытының қысқаруы, инфекция қаупінің төмендеуі және операциядан кейінгі ісінудің азаюы. Қолданылу салалары: гинекология, стоматология, ауыз және жақ-бет хирургиясы және тағы да басқа салалар. 9.25–9.6 мкм толқын ұзындығындағы CO2 лазері кейде стоматологияда қатты тіндерді абляциялау үшін қолданылады. Қатты тіндер 5000 °C дейін қыздырылып ыдырайды, нәтижесінде жарқын жылу сәулесі пайда болады.
Carbon dioxide lasers have become useful in surgical procedures because water (which makes up most biological tissue) absorbs this frequency of light very well. Some examples of medical uses are laser surgery and skin resurfacing ("laser facelifts", which essentially consist of vaporizing the skin to promote collagen formation). CO2 lasers may be used to treat certain skin conditions such as hirsuties papillaris genitalis by removing bumps or podules. CO2 lasers can be used to remove vocal fold lesions, such as vocal fold cysts. Researchers in Israel are experimenting with using CO2 lasers to weld human tissue, as an alternative to traditional sutures. The 10.6 μm CO2 laser remains the best surgical laser for the soft tissue where both cutting and hemostasis are achieved photo thermally (radiantly). CO2 lasers can be used in place of a scalpel for most procedures and are even used in places a scalpel would not be used, in delicate areas where mechanical trauma could damage the surgical site. CO2 lasers are the best suited for soft tissue procedures in human and animal specialties, as compared to laser with other wavelengths. Advantages include less bleeding, shorter surgery time, less risk of infection, and less post op swelling. Applications include gynecology, dentistry, oral and maxillofacial surgery, and many others. The CO2 laser at the 9.25–9.6 μm wavelength is sometimes used in dentistry for hard tissue ablation. The hard tissue is ablated at temperatures as high as 5,000 °C, producing bright thermal radiation.
Басқа
Қарапайым пластикалық поли(метилметакрилат) (PMMA) 2,8–25 мкм толқын ұзындығы диапазонындағы ИК сәулесін сіңіреді, сондықтан соңғы жылдары одан бірнеше жүз микрометр ені бар микрофлюидтік құрылғыларды жасау үшін CO2 лазерлері қолданылып келеді. Атмосфера инфрақызыл сәулелерге өте мөлдір болғандықтан, CO2 лазерлері LIDAR техникасын пайдалана отырып, әскери қашықтықты өлшеуге де қолданылады. CO2 лазерлері спектроскопияда және уранды байыту үшін Silex процесінде пайдаланылады. Жартылай өткізгіштер өндірісінде CO2 лазерлері ең жоғары ультракөк сәуле тудыру үшін қолданылады. Советтік "Полиус" жобасы орбитадағы қару ретінде SDI спутниктерін жою үшін мегаватттық көмірқышқыл газы лазерін пайдалануды көздеген.
The common plastic poly (methyl methacrylate) (PMMA) absorbs IR light in the 2.8–25 μm wavelength band, so CO2 lasers have been used in recent years for fabricating microfluidic devices from it, with channel widths of a few hundred micrometers. Because the atmosphere is quite transparent to infrared light, CO2 lasers are also used for military rangefinding using LIDAR techniques. CO2 lasers are used in spectroscopy and the Silex process to enrich uranium. In semiconductor manufacturing, CO2 lasers are used for extreme ultraviolet generation. The Soviet Polyus was designed to use a megawatt carbon dioxide laser as an in orbit weapon to destroy SDI satellites.