Углекислый лазер: принцип работы и характеристики

Введение

Форма газового лазера

Углекислотный лазер (CO2 лазер) был одним из первых разработанных газовых лазеров. Он был изобретен Кумаром Пателем в лаборатории Bell в 1964 году и до сих пор остается одним из наиболее полезных типов лазеров. Углекислотные лазеры являются наиболее мощными лазерами непрерывного действия, доступными в настоящее время. Они также достаточно эффективны: отношение выходной мощности к мощности накачки может достигать 20%. CO2 лазер генерирует луч инфракрасного света с основными полосами длин волн, центрированными на 9,6 и 10,6 микрометрах (мкм).

Усиление

Активная лазерная среда (средство усиления/усиления лазера) представляет собой газовый разряд, охлаждаемый воздухом или водой, в зависимости от приложенной мощности. Газ, заполняющий герметичную разрядную трубку, состоит примерно из 10–20% углекислого газа, примерно 10–20% азота, нескольких процентов водорода и/или ксенона (Xe), а остальное – гелия (He). Для лазера с проточной газовой средой используется другая смесь, через которую газ непрерывно прокачивается. Конкретные пропорции варьируются в зависимости от типа лазера. Инверсия населенностей в лазере достигается следующей последовательностью: электронное столкновение возбуждает квантовые вибрационные моды {v1(1)} азота. Поскольку азот является гомоядерной молекулой, он не может терять эту энергию посредством излучения фотонов, поэтому его возбужденные вибрационные моды являются метастабильными и относительно долгоживущими. Моды {v1(1)} и {v3(1)} почти идеально резонируют (полная разница молекулярных энергий составляет менее 3 см−1 с учетом агармоничности, центробежного искажения и вибро-вращательного взаимодействия, что более чем компенсируется распределением Максвелла энергии трансляционного движения), и передают свою энергию вибрационного мода молекуле CO2 при столкновении, вызывая возбуждение углекислого газа до вибрационного квантового состояния {v3(1)} (асимметричное растяжение). Затем происходит излучение на длине волны 10.6 мкм при переходе в вибрационный мод {v1(1)} (симметричное растяжение) или 9.6 мкм (изотопный) при переходе в вибрационный мод {v20(2)} (изгиб). Молекулы углекислого газа затем переходят в основное состояние вибрационного мода {v20(0)} из модов {v1(1)} или {v20(2)} при столкновении с холодными атомами гелия, поддерживая тем самым инверсию населенностей. Образовавшиеся горячие атомы гелия необходимо охлаждать для поддержания способности создавать инверсию населенностей в молекулах углекислого газа. В лазерах с закрытым объемом это происходит при ударах атомов гелия о стенки разрядной трубки. В лазерах с проточной газовой средой непрерывный поток CO2 и азота возбуждается плазменным разрядом, а горячая газовая смесь удаляется из резонатора насосами. Добавление гелия также играет роль в начальном вибрационном возбуждении , благодаря почти резонансной реакции диссоциации с метастабильным He(23S1). Замена гелия другими благородными газами, такими как неон или аргон, не приводит к увеличению выходной мощности лазера. Поскольку энергия возбуждения молекулярных вибрационных и вращательных квантовых состояний невелика, фотоны, излучаемые при переходах между этими состояниями, имеют сравнительно более низкую энергию и большую длину волны, чем видимый и ближний инфракрасный свет. Длина волны 9–12 мкм у CO2-лазеров полезна, поскольку она попадает в важное окно для прохождения атмосферных излучений (до 80% атмосферной прозрачности на этой длине волны), а также потому, что многие природные и синтетические материалы имеют сильное характерное поглощение в этом диапазоне. Длину волны лазера можно настроить, изменяя изотопное соотношение атомов углерода и кислорода, составляющих молекулы в разрядной трубке.

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.

Строительство

Поскольку лазеры CO2 работают в инфракрасном диапазоне, для их создания необходимы специальные материалы. Обычно зеркала серебрятся, а окна и линзы изготавливаются из германия или селенида цинка. Для применений с высокой мощностью предпочтительны золотые зеркала и окна и линзы из селенида цинка. Также используются алмазные окна и линзы. Алмазные окна чрезвычайно дороги, но их высокая теплопроводность и твердость делают их полезными в высокомощных приложениях и в загрязненных средах. Оптические элементы из алмаза можно даже подвергать пескоструйной обработке, не теряя своих оптических свойств. Исторически линзы и окна делали из соли (хлорида натрия или хлорида калия). Хотя материал был недорогим, линзы и окна медленно деградировали под воздействием атмосферной влаги. Наиболее простая конструкция CO2-лазера состоит из газового разряда (со смесью, близкой к указанной выше) с полным отражателем на одном конце и выходным зеркалом (частично отражающим зеркалом) на выходном конце. CO2-лазер может быть создан с непрерывной мощностью (CW) от милливатт (мВт) до сотен киловатт (кВт). Также очень легко активно Q-переключать CO2-лазер с помощью вращающегося зеркала или электрооптического переключателя, что позволяет достичь Q-переключенных пиковых мощностей до гигаватт (ГВт). Поскольку лазерные переходы происходят на колебательно-вращательных полосах линейной триатомной молекулы, вращательную структуру P- и R-полос можно выбирать с помощью настраивающего элемента в резонаторе лазера. Призмы непрактичны в качестве настраивающих элементов, поскольку большинство материалов, пропускающих свет в среднем инфракрасном диапазоне, поглощают или рассеивают часть излучения, поэтому частотный настраивающий элемент почти всегда является дифракционной решеткой. Вращая дифракционную решетку, можно выбрать определенную вращательную линию колебательного перехода. Наиболее точный выбор частоты также можно получить с помощью эталона. На практике, в сочетании с изотопным замещением, это означает, что можно использовать непрерывный гребень частот с интервалом около 1 см⁻¹ (30 ГГц), простирающийся от 880 до 1090 см⁻¹. Такие "линейно настраиваемые" лазеры на диоксиде углерода представляют интерес главным образом для исследовательских целей. Длина волны лазера зависит от конкретных изотопов, содержащихся в молекуле углекислого газа, причем более тяжелые изотопы приводят к излучению большей длины волны. В селективном лазерном спекании CO2-лазеры используются для сплавления частиц пластикового порошка в детали.

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.

Медицинская (хирургия мягких тканей)

Лазеры углекислого газа нашли широкое применение в хирургических процедурах, поскольку вода (основной компонент биологических тканей) очень хорошо поглощает излучение данной частоты. Примеры медицинского применения включают лазерную хирургию и восстановление кожи ("лазерный пилинг", который заключается в испарении верхних слоев кожи для стимуляции выработки коллагена). Лазеры CO2 могут применяться для лечения некоторых кожных заболеваний, таких как hirsuties papillaris genitalis, путем удаления папиллом или узелков. Лазеры CO2 используются для удаления новообразований голосовых связок, например, кист. Израильские ученые проводят исследования по использованию лазеров CO2 для "сварки" тканей человека, как альтернативы традиционным швам. CO2 лазер с длиной волны 10,6 мкм остается наиболее эффективным хирургическим лазером для работы с мягкими тканями, обеспечивая одновременное рассечение и коагуляцию посредством фототермического (лучевого) воздействия. Лазеры CO2 могут заменять скальпель в большинстве операций и даже применяются в тех областях, где использование скальпеля невозможно, в деликатных зонах, где механическое воздействие может повредить операционное поле. Лазеры CO2 наиболее подходят для процедур на мягких тканях в человеческой и ветеринарной медицине по сравнению с лазерами других длин волн. Преимуществами являются снижение кровопотери, сокращение времени операции, уменьшение риска инфицирования и снижение послеоперационного отека. Области применения включают гинекологию, стоматологию, челюстно-лицевую хирургию и многие другие. Лазер CO2 с длиной волны 9,25–9,6 мкм иногда используется в стоматологии для абляции твердых тканей. Абляция твердых тканей происходит при температурах до 5000 °C, сопровождаясь интенсивным тепловым излучением.

Другое

Обычный пластик поли(метилметакрилат) (PMMA) поглощает ИК-излучение в диапазоне длин волн 2,8–25 мкм, поэтому в последние годы лазеры CO2 стали использоваться для изготовления микрофлюидных устройств из него с шириной каналов в несколько сотен микрометров. Благодаря высокой прозрачности атмосферы для инфракрасного света, лазеры CO2 также применяются в военной дальнометрии с использованием технологий LIDAR. Лазеры CO2 используются в спектроскопии и процессе Silex для обогащения урана. В производстве полупроводников лазеры CO2 применяются для генерации экстремального ультрафиолетового излучения. Советский проект "Полюс" предусматривал использование мегаваттного углекислого лазера в качестве орбитального оружия для уничтожения спутников системы противоракетной обороны (СОИ).