Laser CO2 – Công nghệ và ứng dụng

Một thí nghiệm chiếu tia laser CO­₂ liên tục có công suất vài kW vào ngọn lửa.

Laser CO₂ là một trong những laser khí đầu tiên được sử dụng. Nó được phát minh bởi Kumar Patel ở Bell Labs vào năm 1964, và vẫn là một trong những loại laser được sử dụng phổ biến nhất. Laser CO₂ là loại laser liên tục có công suất cao nhất hiện nay. Chúng cũng khá hiệu quả: hiệu suất đầu ra có thể lên tới 20%. Laser CO₂ là chùm ánh sáng hồng ngoại với các dải bước sóng trên 9,4 và 10,6 micromet (μm).

Khuếch đại

Môi trường hoạt động của tia laser là bên trong một luồng khí được làm mát bằng không khí hoặc bằng nước, tùy thuộc vào công suất laser. Môi trường khí này bao gồm 10–20% carbon dioxide (CO₂), 10-20% nitơ (N₂), một vài phần trăm hydro (H₂) và / hoặc xenon (Xe) (thường chỉ được sử dụng trong một ống kín) và phần còn lại là khí helium (He). Tỷ lệ này có thể thay đổi tùy theo công suất laser.

Quá trình tạo ra laser CO­­₂ diễn ra theo trình tự sau: kích thích dao động các hạt phân tử nitơ bằng cách cho các hạt electron va chạm với các hạt mang điện tích. Truyền năng lượng dao động từ các hạt phân tử N₂ đến các hạt phân tử CO₂ ở gần kề để tạo nên dao động cộng hưởng. Khi hạt CO₂ bị va chạm với hạt N₂ hoặc các hạt CO₂ khác, chúng dao động và ở trạng thái năng lượng cao V3. Trong khoảng thời gian ngắn chúng chuyển về trạng thái năng lượng thấp V1, kết quả của quá trình chuyển trạng thái dao động này làm phát sinh bức xạ laser. Sự xen lẫn số lượng lớn các hạt CO₂ ở trạng thái dao động V1 và trạng thái V2 làm suy giảm dao động, tạo thành trạng thái các hạt V2 suy giảm. Các hạt ở trạng thái V2 không có tác dụng tạo ra Laser nên cần phải làm triệt tiêu năng lượng dao động của chúng. Năng lượng này được truyền và lấy đi bởi sự va chạm với các hạt phân tử Heli tồn tại đồng thời trong hỗn hợp khí. Các nguyên tử heli nóng sau đó phải được làm lạnh để duy trì khả năng hoạt động ổn định. Với các tia laser được tạo ra trong các bình kín, các phân tử heli sẽ va chạm với thành bình. Trong flow-through laser, một dòng khí CO₂ và nitơ liên tục bị kích thích bởi sự phóng thích plasma và hỗn hợp khí nóng thoát ra từ bộ cộng hưởng bằng máy bơm.

Bởi vì mức năng lượng của dao động phân tử tương tự nhau, các photon phát ra do sự chuyển tiếp giữa các mức này có năng lượng tương đối thấp và bước sóng dài hơn so với ánh sáng khả kiến và gần với bước sóng của tia hồng ngoại. Bước sóng 9-12 µm của laser CO₂ rất hữu ích vì bước sóng này có thể truyền được trong khí quyển và nhiều vật liệu tự nhiên và tổng hợp có đặc tính hấp thụ mạnh trong phạm vi này.

Cấu trúc

Bởi vì laser CO2 có bước sóng hồng ngoại, do đó cần phải sử dụng các vật liệu đặc biệt để chế tạo máy laser. Thông thường, các gương được mạ bạc, trong khi các cửa sổ và ống kính được làm bằng selenua germanium hoặc kẽm. Đối với các trường hợp yêu cầu công suất cao, gương vàng và cửa sổ và ống kính mạ kẽm selenua được ưu tiên. Ngoài ra còn có các cửa sổ và thấu kính kim cương được sử dụng. Cửa sổ kim cương cực kỳ đắt, nhưng độ dẫn nhiệt và độ cứng cao của chúng khiến chúng trở nên hữu dụng trong các ứng dụng công suất cao và trong môi trường bẩn. Các thiết bị quang học làm bằng kim cương thậm chí có thể bị thổi cát mà không làm mất đi tính chất quang học của chúng. Trước đây, ống kính và cửa sổ đã từng được làm từ muối (natri clorua hoặc kali clorua). Tuy vật liệu này có chi phí thấp, nhưng các thấu kính và cửa sổ làm từ muối này dễ bị hao mòn khi tiếp xúc với không khí ẩm.

Các thiết bị tạo laser CO₂ cơ bản bao gồm hệ thống xả khí với một gương phản xạ toàn phần ở đầu vào và một gương phản xạ bán phần ở đầu ra.

Laser CO₂ có thể được thiết kế để có thể được tạo ra dưới dạng sóng liên tục (CW) có công suất vài milliwatts (mW) đến hàng trăm kilowatt (kW). Cũng có thể tăng công suất laser lên đến vài gigawatts (GW) một cách dễ dàng bằng cách sử dụng một bộ chuyển đổi Q-switch.

Bởi vì quá trình chuyển đổi laser diễn ra trên các đám dao động-quay của một phân tử triatomic tuyến tính, nên cấu trúc đám quay P và R có thể được chọn bởi một phần tử điều chỉnh trong khoang laser. Việc sử dụng lăng kính không mang lại hiệu quả bằng việc sử dụng các thiết bị điều chỉnh vì hầu hết các thiết bị truyền ánh sáng hấp thụ một phần ánh sáng hồng ngoại hoặc làm phân tán chúng, do đó, yếu tố điều chỉnh tần số hầu như là một lưới nhiễu xạ. Bằng cách xoay lưới nhiễu xạ, có thể chọn một đường quay đặc biệt của quá trình chuyển đổi dao động. Có thể lựa chọn thu được tần số tốt nhất thông qua việc sử dụng etalon. Trong thực tế, cùng với sự thay thế đồng vị, điều này có nghĩa là một dải tần số liên tục được phân cách thành các khoảng 1 cm^-1 (30 GHz) có thể được mở rộng thành 880 đến 1090 cm^-1. Các loại laser CO₂ “có thể điều chỉnh theo đường” này chủ yếu được quan tâm trong các ứng dụng nghiên cứu.

Một khía cạnh của bước sóng đầu ra là do các đồng vị đặc biệt chứa trong phân tử CO₂. Vì sự kết hợp các đồng vị khác nhau có thể tạo ra các bước sóng từ 8,98 đến 10,2 μm, các nhà chế tạo laser chính xác phải tính đến yếu tố này khi lựa chọn khí cho sản phẩm của họ. Bảng dưới đây minh họa phạm vi đầu ra từ chín kết hợp đồng vị có thể có:

Ứng dụng

Công nghiệp (cắt và hàn)

Do có thể đạt được công suất cao (kết hợp với chi phí hợp lý của các thiết bị laser), laser CO2 thường được sử dụng trong công nghiệp để cắt và hàn, còn các thiết bị laser công suất thấp hơn được sử dụng để khắc. Nó cũng được sử dụng trong công nghệ bồi đắp vật liệu như công nghệ in 3D Selective laser sintering (SLS).

Y học (giải phẫu mô mềm)

Laser CO₂ trở nên hữu ích trong các quy trình phẫu thuật vì nước (tạo nên hầu hết các mô sinh học) hấp thụ tần số ánh sáng này rất tốt. Một số ví dụ trong lĩnh vực y học về việc sử dụng laser CO₂ là các quá trình phẫu thuật laser và tái tạo bề mặt da (“facelifts laser”, trong đó chủ yếu bao gồm bốc hơi da để thúc đẩy sự hình thành collagen). Laser CO2 có thể được sử dụng để điều trị một số bệnh về da nhất định như hirsuties papillaris genitalis bằng cách loại bỏ các bướu hoặc nang. Laser CO2 có thể được sử dụng để loại bỏ tổn thương thanh quản. Các nhà nghiên cứu ở Israel đang thử nghiệm sử dụng laser CO2 để hàn mô của con người, như là một thay thế cho chỉ khâu truyền thống.

Một thiết bị laser CO2 y tế.

Laser CO2 có bước sóng 10,6 µm vẫn là laser phẫu thuật tốt nhất cho mô mềm. Laser CO2 có thể được sử dụng thay cho dao mổ trong hầu hết các quy trình, và thậm chí được sử dụng ở những nơi mà dao mổ không thể sử dụng, những vùng nhạy cảm nơi chấn thương cơ học có thể làm tổn thương vùng phẫu thuật. Laser CO2 là phương pháp phù hợp nhất để xử lý các mô mềm trong cơ thể con người và động vật, so với các loại laser khác. Ưu điểm của phương pháp này là: máu chảy ít hơn, thời gian phẫu thuật ngắn hơn, ít nguy cơ bị nhiễm trùng hơn và ít bị sưng sau phẫu thuật. Được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: phụ khoa, nha khoa, phẫu thuật răng hàm mặt, và nhiều loại khác.

Laser CO2 ở bước sóng 9,25 – 9,6 μm đôi khi được sử dụng trong nha khoa để cắt bỏ mô cứng. Các mô cứng được cắt bỏ ở nhiệt độ cao đến 5.000 ° C, tạo ra bức xạ nhiệt sáng.

Khác

Các loại nhựa phổ biến (methyl methacrylate) (PMMA) hấp thụ ánh sáng hồng ngoại trong dải bước sóng 2,8-25 m, do đó có thể sử dụng laser CO2 để chế tạo các thiết bị microfluidic từ nhựa, với độ rộng kênh vài trăm micromet.

Bởi vì bầu khí quyển không gây cản trở với ánh sáng hồng ngoại, laser CO2 cũng được sử dụng trong các thiết bị dò tìm quân sự bằng kỹ thuật LIDAR.

Laser CO2 được sử dụng trong quang phổ và quá trình Silex để làm giàu urani.

Polyus của Liên Xô được thiết kế để sử dụng laser carbon có công suất hàng megawatt như một vũ khí đạn đạo để phá hủy các vệ tinh SDI.