Karbondioksidlaseren ( CO 2 laser ) var en av de første gasslasermodellene som ble utviklet. Den ble oppfunnet av Kumar Patel [1] fra Bell Laboratories i 1964, og er nå en av de mest brukte innen det medisinske og industrielle området. [2]
CO 2 -lasere er de kraftigste kontinuerlige bølgelaserne som er tilgjengelige for tiden, og de er også blant de mest effektive: forholdet mellom pumpekraft og effekt som sendes ut av laseren kan være så høyt som 20 %.
Denne typen laser sender ut en stråle av infrarødt lys hvis hovedbølgelengde er sentrert mellom 9,4 og 10,6 mikrometer .
Det aktive lasermediet (lasergenerator / amplifikasjonsmedium ) er et luftkjølt gassutladningsrør (eller vannkjølt i høyeffektapplikasjoner). Gassen inne i laserrøret består av:
De nøyaktige proporsjonene varierer avhengig av lasertype og tiltenkt bruk.
Den nødvendige populasjonsinversjonen i lasermediet oppnås ved å føre en elektrisk utladning inn i gassblandingen, som utløser følgende hendelseskjede:
Siden CO 2 -lasere opererer i infrarødt med en bølgelengde der glass ikke lenger er gjennomsiktig, kreves det spesielle materialer for deres konstruksjon. Vanligvis er speilene laget av belagt silisium eller molybden , mens linsene og utgangsvinduene er laget av germanium ; for høyeffektapplikasjoner brukes gullspeil og sinkselenidvinduer og linser . Historisk har også vinduer og saltlinser blitt brukt , både vanlig natriumklorid og kaliumklorid , men selv om de var veldig billige, ble disse linsene dårligere med luftfuktighet.
Den enkleste formen for CO 2 -laser består av et gassutladningsrør (fylt med en blanding lik den som er beskrevet ovenfor) med et fullt reflekterende speil i den ene enden og en utløpskobling (vanligvis et halvreflekterende speil av sinkselenidbelagt) kl. utløpsenden. Refleksjonsevnen til utgangskoblingsspeilet er vanligvis 5-15%. Laserutgangen, for høyeffektapplikasjoner, kan ha en spesiell kobling ( kantkoblet ) for å redusere problemene med oppvarming av optikken.
CO 2 -laseren kan designes for kontinuerlige utslippseffekter fra noen få milliwatt til flere hundre kilowatt (kW). [3] Det er også veldig enkelt å introdusere en Q-switching- enhet i disse laserne , ved hjelp av et roterende speil eller en elektro-optisk bryter, noe som gjør dem i stand til å generere enkeltpulser med effekt opp til én gigawatt (GW). [4]
Siden tilstandsovergangen som gir opphav til lasereffekten i disse enhetene gjelder vibrasjonstranslasjonsbåndene til et lineært triatomisk molekyl, kan rotasjonsstrukturen til P- og R-båndene velges av et tunerelement i hulrommet til laserresonatoren: dette elementet er vanligvis et diffraksjonsgitter , fordi i det infrarøde båndet til CO 2 -lasere har gjennomsiktige materialer generelt ganske høye tap. Ved å rotere gitteret kan en spesiell rotasjonslinje for vibrasjonsovergangen velges. Det fineste frekvensvalget kan oppnås ved å bruke en etalon . Derfor, også takket være isotopsubstitusjon , er det mulig å velge frekvenser etter ønske i et område fra 880 til 1090 cm −1 i en "kam" med intervaller på 1 cm −1 (30 GHz). Slike "finjusterte" karbondioksidlasere er imidlertid fremfor alt av teoretisk og forskningsmessig interesse.
En viktig nyvinning innen CO 2 -lasere har vært den nylige introduksjonen av platekilder , som ikke består av glassrør, men av et hulrom oppnådd ved å forsegle to nære og parallelle metallplan, som fungerer som anker til en kondensator: i disse kildene er gassblandingen eksitert ikke av en elektrisk utladning, men av en oscillerende høyfrekvent spenning som går gjennom kondensatoren som er dannet på denne måten. Disse kildene har den betydelige fordelen at de ikke krever at resonanshulrommet tømmes (og påfølgende gassfylling) hver gang laseren slås av, noe som i stor grad reduserer driftskostnadene til systemene de utstyrer: deres store ulempe er på den annen side. den mindre kvaliteten på laserstrålen som produseres, når det gjelder fokuserbarhet, kollimering og spektral renhet.
På grunn av den høye effekten som kan oppnås (og den rimelige kostnaden for laseren), er CO 2 -lasere mye brukt i industrielle prosesser for skjæring og sveising . De er også svært nyttige i kirurgi, fordi vann, hovedbestanddelen av vev, absorberer den utsendte frekvensen veldig godt, og er derfor også egnet for laserkirurgi, løfting, ansikts peeling (som i utgangspunktet består i å brenne det ytterste laget av epidermis. , for å fremme kollagendannelse ), og dermabrasjon .
Siden jordens atmosfære er nesten helt gjennomsiktig for infrarødt, brukes CO 2 -lasere også til telemetri ved bruk av LIDAR- teknikker .