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láser de dióxido de carbono

Un objetivo de prueba se incendia al ser irradiado por un láser de dióxido de carbono de onda continua y potencia de kilovatios. El láser de dióxido de carbono ( láser de CO₂ ) ...

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Un objetivo de prueba se incendia al ser irradiado por un láser de dióxido de carbono de onda continua y potencia de kilovatios.

El láser de dióxido de carbono ( láser de CO₂ ) fue uno de los primeros láseres de gas desarrollados. Fue inventado por Kumar Patel de Bell Labs en 1964 [ 1 ] y sigue siendo uno de los tipos de láser más útiles. Los láseres de dióxido de carbono son los láseres de onda continua de mayor potencia disponibles actualmente. Además, son muy eficientes: la relación entre la potencia de salida y la potencia de bombeo puede alcanzar el 20 %. El láser de CO₂ produce un haz de luz infrarroja con bandas de longitud de onda principales centradas en 9,6 y 10,6 micrómetros (μm). 

Amplificación

El medio láser activo (medio de ganancia/ amplificación láser ) es una descarga de gas que se enfría con aire o agua, dependiendo de la potencia aplicada. El gas de llenado dentro de un tubo de descarga sellado consiste en aproximadamente un 10-20% de dióxido de carbono ( CO₂).2 ), alrededor del 10–20%de nitrógeno(N2 ), unos pocos por cientode hidrógeno(H2 ) y/oxenón(Xe), siendo el restohelio(He).de flujo continuose utiliza una mezcla diferente, dondeel COEl gas 2 se bombea continuamente a través de él. Las proporciones específicas varían según el láser en particular.

La inversión de población en el láser se logra mediante la siguiente secuencia: el impacto de electrones excita los modos vibracionales cuánticos {v1(1)} del nitrógeno. Debido a que el nitrógeno es una molécula homonuclear , no puede perder esta energía por emisión de fotones , y sus modos vibracionales excitados son, por lo tanto, metaestables y de vida relativamente larga. N2 {v1(1)} yCO2 {v3(1)} siendo casi perfectamente resonante (la diferencia de energía molecular total está dentro de 3 cm−1cuando se tiene en cuentaN2 anarmonicidad, distorsión centrífuga e interacción vibro-rotacional, que se compensa con creces por ladistribución de velocidad de Maxwellde la energía del modo traslacional),N2 se desexcita por colisión transfiriendo la energía de su modo vibracional a la molécula de CO₂,lo que provoca que el dióxido de carbono se excite a su estado cuántico de modo vibracional {v3(1)} (estiramiento asimétrico). ElCO2 luego emite radiativamente a 10,6 μm [ i ] al caer al modo vibracional {v1(1)} (estiramiento simétrico), o a 9,6 μm [ i ] al caer al modo vibracional {v20(2)} (flexión). Las moléculas de dióxido de carbono luego transitan a su estado fundamental del modo vibracional {v20(0)} desde {v1(1)} o {v20(2)} por colisión con átomos de helio fríos, manteniendo así la inversión de población. Los átomos de helio calientes resultantes deben enfriarse para mantener la capacidad de producir una inversión de población en las moléculas de dióxido de carbono. En los láseres sellados, esto ocurre cuando los átomos de helio chocan contra las paredes del tubo de descarga láser. En los láseres de flujo continuo, una corriente continua de CO2y nitrógeno es excitada por la descarga de plasma y la mezcla de gas caliente es expulsada del resonador por bombas.

La adición de helio también juega un papel en la excitación vibracional inicial del N2 , debido a una reacción de disociación casi resonante con He(23S1). Sustituir el helio por otros gases nobles, como el neón o el argón, no produce una mejora en la salida del láser. [ 2 ]

Debido a que la energía de excitación de los estados cuánticos de los modos vibracionales y rotacionales moleculares es baja, los fotones emitidos por la transición entre estos estados cuánticos tienen una energía comparativamente menor y una longitud de onda mayor que la luz visible y la luz infrarroja cercana. La  longitud de onda de 9 a 12 μm de los láseres de CO₂ es útil porque se encuentra dentro de una ventana importante para la transmisión atmosférica (hasta un 80 % de transmisión atmosférica en esta longitud de onda), y porque muchos materiales naturales y sintéticos tienen una fuerte absorción característica en este rango. [ 3 ]

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

Construcción

Debido a que los láseres de CO₂ operan en el infrarrojo, se necesitan materiales especiales para su construcción. Por lo general, los espejos son plateados , mientras que las ventanas y lentes están hechas de germanio o seleniuro de zinc . Para aplicaciones de alta potencia, se prefieren los espejos de oro y las ventanas y lentes de seleniuro de zinc. También se utilizan ventanas y lentes de diamante . Las ventanas de diamante son extremadamente caras, pero su alta conductividad térmica y dureza las hacen útiles en aplicaciones de alta potencia y en entornos sucios. Los elementos ópticos hechos de diamante incluso pueden ser arenados sin perder sus propiedades ópticas. Históricamente, las lentes y ventanas se fabricaban con sal ( cloruro de sodio o cloruro de potasio ). Si bien el material era económico, las lentes y ventanas se degradaban lentamente con la exposición a la humedad atmosférica.

La forma más básica de un láser de CO2 consiste en una descarga de gas (con una mezcla cercana a la especificada anteriormente) con un reflector total en un extremo y un acoplador de salida (un espejo parcialmente reflectante) en el extremo de salida. [ 4 ]

El láser de CO₂ puede construirse para tener potencias de onda continua (CW) entre milivatios (mW) y cientos de kilovatios (kW). [ 5 ] También es muy fácil realizar la conmutación Q activa de un láser de CO₂ mediante un espejo giratorio o un interruptor electroóptico, lo que da lugar a potencias pico conmutadas Q de hasta gigavatios (GW). [ 6 ]

Debido a que las transiciones láser se encuentran en bandas de vibración-rotación de una molécula triatómica lineal, la estructura rotacional de las bandas P y R se puede seleccionar mediante un elemento de sintonización en la cavidad láser . Los prismas no son prácticos como elementos de sintonización porque la mayoría de los medios que transmiten en el infrarrojo medio absorben o dispersan parte de la luz, por lo que el elemento de sintonización de frecuencia es casi siempre una red de difracción . Al girar la red de difracción, se puede seleccionar una línea rotacional particular de la transición vibracional. La selección de frecuencia más fina también se puede obtener mediante el uso de un etalón . En la práctica, junto con la sustitución isotópica , esto significa que se puede utilizar un peine continuo de frecuencias separadas por aproximadamente 1  cm⁻¹ (30 GHz) que se extiende desde 880 hasta 1090 cm⁻¹ . Estos láseres de dióxido de carbono "sintonizables en línea" [ 7 ] son ​​de interés principalmente en aplicaciones de investigación. La longitud de onda de salida del láser se ve afectada por los isótopos particulares contenidos en la molécula de dióxido de carbono, y los isótopos más pesados ​​producen una emisión de mayor longitud de onda. [ 3 ]  

Aplicaciones

Un láser médico de CO2

Industrial (corte y soldadura)

Debido a los altos niveles de potencia disponibles (combinados con un costo razonable para el láser), los láseres de CO₂ se utilizan frecuentemente en aplicaciones industriales para cortar y soldar , mientras que los láseres de menor potencia se utilizan para grabar. [ 8 ] En la sinterización selectiva por láser , los láseres de CO₂ se utilizan para fusionar partículas de polvo plástico en piezas.

Medicina (cirugía de tejidos blandos)

Los láseres de dióxido de carbono se han vuelto útiles en procedimientos quirúrgicos porque el agua (que constituye la mayor parte del tejido biológico ) absorbe muy bien esta frecuencia de luz. Algunos ejemplos de usos médicos son la cirugía láser y el rejuvenecimiento de la piel (" lifting facial con láser ", que consiste esencialmente en vaporizar la piel para promover la formación de colágeno ). [ 9 ] Los láseres de CO 2 se pueden usar para tratar ciertas afecciones de la piel, como el hirsutismo papilar genital, eliminando protuberancias o pólipos. Los láseres de CO 2 se pueden usar para eliminar lesiones de las cuerdas vocales, [ 10 ] como los quistes de las cuerdas vocales . Investigadores en Israel están experimentando con el uso de láseres de CO 2 para soldar tejido humano, como alternativa a las suturas tradicionales . [ 11 ]

El láser de CO₂ de 10,6 μm  sigue siendo el mejor láser quirúrgico para tejidos blandos, donde tanto el corte como la hemostasia se logran fototérmicamente (radiantemente). [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] Los láseres de CO₂ pueden usarse en lugar de un bisturí para la mayoría de los procedimientos e incluso se usan en lugares donde no se usaría un bisturí, en áreas delicadas donde el trauma mecánico podría dañar el sitio quirúrgico. Los láseres de CO₂ son los más adecuados para procedimientos de tejidos blandos en especialidades humanas y animales, en comparación con láseres de otras longitudes de onda . Las ventajas incluyen menor sangrado, menor tiempo quirúrgico, menor riesgo de infección y menor inflamación postoperatoria. Las aplicaciones incluyen ginecología , odontología , cirugía oral y maxilofacial , y muchas otras. En medicina veterinaria, los láseres de CO₂ de 10,6 μm se utilizan para una variedad de procedimientos de tejidos blandos, incluyendo oniquectomía , castración , esterilización , extirpación de tumores oncológicos y cirugías oftálmicas, auditivas y dermatológicas especializadas. [ 16 ] [ 17 ] 

En odontología, a veces se utiliza un láser dental de CO₂ con una longitud de onda de 9,25–9,6 μm para la ablación de tejidos duros. El tejido duro se ablaciona a temperaturas de hasta 5000 °C, produciendo una intensa radiación térmica. [ 18 ]  

Otro

El plástico común poli(metacrilato de metilo) (PMMA) absorbe luz infrarroja en la  banda de longitud de onda de 2,8 a 25 μm, por lo que en los últimos años se han utilizado láseres de CO₂ para fabricar dispositivos microfluídicos a partir de él, con anchos de canal de unos pocos cientos de micrómetros. [ 19 ]

Debido a que la atmósfera es bastante transparente a la luz infrarroja, los láseres de CO2 también se utilizan para la medición de distancias en el ámbito militar mediante técnicas LIDAR .

Los láseres de CO2 se utilizan en espectroscopia [ 20 ] y en el proceso Silex para enriquecer uranio.

En la fabricación de semiconductores, los láseres de CO2 se utilizan para la generación de luz ultravioleta extrema .

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

Véase también

Notas

  1. 1 2 La longitud de onda exacta depende de la composición isotópica del CO2 moléculas.

Referencias

  1. ↑ Patel, CKN (1964). "Acción láser de onda continua sobre las transiciones vibracionales-rotacionales del CO 2 " . Physical Review . 136 (5A): A1187– A1193. Bibcode : 1964PhRv..136.1187P . doi : 10.1103/physrev.136.a1187 .
  2. ↑ Patel, CKN; et al. (1965). "Láser de CO 2 -N 2 -He de alta potencia en onda continua " . Applied Physics Letters . 7 (11): 290. Bibcode : 1965ApPhL...7..290P . doi : 10.1063/1.1754264 . 
  3. 1 2Yong Zhang y Tim Killeen, Láseres de gas: Láseres de CO2 : de un pasado variado a un futuro específico para aplicaciones , LaserFocusWorld (4 de noviembre de 2016)
  4. ↑ "Acopladores de salida" . ophiropt.com . Ophir Optronics Solutions Ltd. Consultado el 17 de febrero de 2014 .
  5. ↑ "Cortina a base de carbono absorbe la luz láser dispersa" . Tech Briefs Media Labs. 30 de noviembre de 2007. Consultado el 17 de febrero de 2014 .
  6. ↑ Amplificador de dióxido de carbono en el Laboratorio Nacional de Brookhaven .
  7. ↑ FJ Duarte (ed.), Manual de láseres sintonizables (Academic, Nueva York, 1995) Capítulo 4.
  8. ↑ Andreeta, MRB; et al. (2011). "Códigos bidimensionales grabados en una superficie de vidrio de óxido utilizando un láser de CO2 de onda continua". Journal of Micromechanics and Microengineering . 21 (2) 025004. Bibcode : 2011JMiMi..21b5004A . doi : 10.1088/0960-1317/21/2/025004 . S2CID 137296053 .  
  9. ↑ Barton, Fritz (2014). «Rejuvenecimiento cutáneo». En Charles Thorne (ed.). Cirugía plástica de Grabb y Smith (7.ª ed.). Filadelfia: Lippincott Williams & Wilkins. pág. 455. ISBN   978-1-4511-0955-9A efectos prácticos , existen tres métodos de renovación cutánea: lijado mecánico (dermoabrasión), quemadura química (peeling químico) y tratamientos fotodinámicos (ablación o coagulación láser).
  10. ↑ Benninger, Michael S. (2000). "Microdisección o láser de CO2 de micropuntos para lesiones benignas limitadas de las cuerdas vocales: un ensayo prospectivo aleatorizado". The Laryngoscope . 110 (S92): 1– 17. doi : 10.1097/00005537-200002001-00001 . ISSN 1531-4995 . PMID 10678578. S2CID 46081244 .   
  11. ↑ "Investigadores israelíes son pioneros en el tratamiento láser para sellar heridas" . Israel21c . 16 de noviembre de 2008. Archivado del original el 28 de julio de 2009. Consultado el 8 de marzo de 2009 .
  12. ↑ Vogel, A.; Venugopalan, V. (2003). "Mecanismos de ablación láser pulsada de tejidos biológicos" . Chem. Rev. 103 ( 2): 577– 644. doi : 10.1021/cr010379n . PMID 12580643 . 
  13. ↑ Vitruk, Peter (2014). "Espectros de eficiencias de ablación y coagulación láser en tejidos blandos orales" . Implant Practice US . 6 (7): 22– 27. Recuperado el 15 de mayo de 2015 .
  14. ↑ Fisher, JC (1993). "Efectos cualitativos y cuantitativos de la luz de importantes láseres quirúrgicos en los tejidos". Cirugía láser en ginecología: una guía clínica : 58–81 .
  15. ↑ Fantarella, D.; Kotlow, L. (2014). "El láser dental de CO2 de 9,3 μm" ( PDF ) . Revisión científica. J Laser Dent . 1 (22): 10– 27. Archivado del original (PDF) el 5 de febrero de 2015. Recuperado el 18 de marzo de 2016 . 
  16. ↑ Kumar A, Kaushal S, Ahuja A (2024). "Iluminando la cirugía veterinaria: La evolución y aplicación de la tecnología láser de CO2" . Indian Journal of Veterinary Surgery . 45 (2): 79– 83. doi : 10.5958/0973-9726.2024.00018.8 . ISSN 0254-4105 . Recuperado el 10 de marzo de 2026 . 
  17. ↑ Drylewicz LR (2025). "Onichectomy". The Feline Patient . Wiley. págs. 916–919. doi : 10.1002/9781394218035.ch265 . ISBN  978-1-394-21800-4. Consultado el 10 de marzo de 2026 .
  18. ↑ "Conceptos básicos de cirugía láser" . American Laser Study Club . Consultado el 4 de mayo de 2018 .
  19. ↑ Klank, Henning; Kutter, Jörg P.; Geschke, Oliver (2002). "Micromecanizado con láser de CO2 y procesamiento posterior para la producción rápida de sistemas microfluídicos basados ​​en PMMA" . Lab on a Chip . 2 (4): 242– 246. doi : 10.1039/B206409J . PMID 15100818. Consultado el 21 de octubre de 2009 . 
  20. ↑ CP Bewick, AB Duval y BJ Orr , Transferencia de energía vibracional de modo a modo selectiva rotacionalmente en colisiones D 2 CO/D 2 CO y D 2 CO/Ar, J. Chem Phys. 82 , 3470 (1985).
  • Láser de dióxido de carbono de fabricación casera