I. Introducción
En 1964, Patel logró una producción láser continua en longitudes de onda cercanas a 10,4 micrones y 9,4 micrones en descarga de gas CO2, dando lugar al primer láser molecular de CO2 del mundo.
Tiene una potencia significativa y una alta eficiencia de conversión de energía.
Utiliza la transición entre los niveles de energía vibratorios y rotacionales de las moléculas de CO2, lo que da como resultado un espectro rico. Hay docenas de líneas espectrales para una salida láser cercana a las 10 micras. Su amplia aplicación en la industria, el ejército, la medicina y la investigación científica ha aportado muchas comodidades a nuestras vidas.
En 1966 nació el láser de CO2 aerodinámico, atrayendo gran atención a la tecnología del láser de CO2. La introducción de la aerodinámica en la tecnología láser ha abierto amplias perspectivas para el uso de láseres de CO2.
Con el avance de la ciencia y la tecnología, la tecnología láser en todo el mundo también se ha desarrollado en consecuencia. El láser de dióxido de carbono es actualmente uno de los láseres con alta potencia de salida continua. Su desarrollo inicial y sus productos comerciales maduros se han utilizado ampliamente en áreas como procesamiento de materiales, uso médico, armas militares y medición ambiental.
En el desarrollo y aplicación de láseres, la creación y aplicación de láseres de CO2 apareció antes y con mayor frecuencia. Ya a finales de la década de 1970, los láseres de CO2 se importaban directamente del extranjero para procesos industriales y aplicaciones médicas.
Desde finales de la década de 1980, los láseres de CO2 se han introducido y aplicado ampliamente en el área del procesamiento de materiales.
Este artículo presenta principalmente los principios básicos y la estructura del láser de CO2 y se centra en la aplicación del láser de CO2 desde tres aspectos. Finalmente, se presenta el estado actual de la investigación y las perspectivas de futuro del láser de CO2.
II. Láseres
2.1 Tres condiciones para la producción láser.
La producción de láseres requiere tres condiciones:
(1) Un medio de ganancia que proporciona amplificación como material de trabajo del láser, y sus partículas activadas (átomos, moléculas o iones) tienen una estructura de nivel de energía adecuada para la emisión estimulada;
(2) Una fuente de excitación externa que bombea partículas desde niveles de energía más bajos a niveles más altos, provocando una inversión del número de partículas entre los niveles de energía superior e inferior del láser;
(3) Un resonador óptico que extiende la longitud de trabajo del medio activado, controla la dirección del haz de luz y selecciona la frecuencia de la luz de emisión estimulada para mejorar la monocromaticidad.
2.2 Características de los láseres
En comparación con las fuentes de luz ordinarias, los láseres tienen cuatro características principales: excelente direccionalidad, brillo extremadamente alto, buena monocromaticidad y alta coherencia.
2.3 Dispositivos láser
Un dispositivo láser es un mecanismo capaz de emitir láseres. El primer amplificador cuántico de microondas se fabricó en 1954 y produjo un haz de microondas altamente coherente.
En 1958, AL Schawlow y CH Townes ampliaron los principios de los amplificadores cuánticos de microondas al rango de frecuencia óptica y describieron métodos para generar láseres.
En 1960, TH Maiman y su equipo construyeron el primer láser de rubí. En 1961, A. Javan y otros produjeron un láser de helio-neón, y en 1962, RN Hall y su equipo crearon un láser semiconductor de arseniuro de galio. Desde entonces, los tipos de láseres se han ampliado continuamente.
Aparte de los láseres de electrones libres, los principios fundamentales de funcionamiento de muchos láseres son idénticos.
Las condiciones esenciales para producir un láser son la inversión del número de partículas y la ganancia supera a la pérdida, por lo que los componentes indispensables de un sistema incluyen una fuente de excitación (o bomba) y un medio de trabajo con niveles de fuentes de energía metaestables.
La excitación es el estado de excitación después de que el medio de trabajo absorbe energía externa, creando las condiciones para lograr y mantener la inversión del número de partículas. Los métodos de excitación incluyen excitación óptica, excitación eléctrica, excitación química y excitación de energía nuclear.
El medio de trabajo con un nivel de energía metaestable permite que domine la radiación estimulada, logrando así una amplificación de la luz. Los componentes comunes de un dispositivo láser también incluyen una cavidad resonante.
Sin embargo, la cavidad resonante (ver cavidad resonante óptica) no es un componente esencial. La cavidad resonante puede alinear la frecuencia, fase y dirección de los fotones dentro de la cavidad, proporcionando así al láser una excelente direccionalidad y coherencia.
Además, puede acortar eficazmente la longitud del material de trabajo y ajustar el modo del láser producido cambiando la longitud de la cavidad resonante. Por tanto, la mayoría de los dispositivos láser tienen una cavidad resonante.
Hay muchos tipos de láseres. A continuación, los clasificaremos e introduciremos según el material de trabajo del láser, el método de excitación y el modo de operación.
(1) Por material de trabajo
Los láseres se pueden agrupar en varias categorías según el estado del material de trabajo:
① Láseres sólidos (cristal y vidrio);
② Láseres de gas, divididos en láseres de gas atómico, láseres de gas iónico, láseres de gas molecular y láseres de gas cuasimoleculares;
③ Láseres líquidos, cuyos materiales de trabajo incluyen principalmente dos tipos: soluciones de tintes fluorescentes orgánicos y soluciones de compuestos inorgánicos que contienen iones de metales de tierras raras;
④ Láseres semiconductores;
⑤ Láseres de electrones libres.
(2) Por método de excitación
① Láseres bombeados ópticamente;
② Láseres excitados eléctricamente;
③ Láseres químicos;
④ Láseres de bombeo nuclear.
(3) Por modo de funcionamiento
Debido a los diferentes materiales de trabajo, métodos de excitación y propósitos de aplicación de los láseres, sus modos de operación y estados de trabajo también varían. Se pueden dividir en varios tipos principales:
① Láseres continuos;
② Láseres de un solo pulso;
③ Láseres de pulso repetitivo;
④ Láseres modulados;
⑤ Láseres de modo bloqueado;
⑥ Láseres monomodo y de frecuencia estable;
⑦ Láseres ajustables.
III. El principio de los láseres de CO2
3.1 Estructura básica de un láser de CO2
Como se muestra en la Figura 1, se representa una estructura típica de láser de CO2. Los dos espejos que forman la cavidad resonante del láser de CO2 se colocan en un soporte de cavidad ajustable. El método más sencillo es fijar directamente los espejos a ambos extremos del tubo de descarga.
Estructura basica:
① Tubo láser
Esta es la parte más crítica del láser. Generalmente se compone de tres partes (como se muestra en la Figura 1): el espacio de descarga (tubo de descarga), la camisa de enfriamiento de agua (tubo) y el depósito de gas.
El tubo de descarga suele estar hecho de vidrio duro y generalmente emplea una estructura cilíndrica en cascada. Afecta la salida del láser y la potencia de salida del láser. La longitud del tubo de descarga es proporcional a la potencia de salida.
Dentro de un cierto rango de longitud, la potencia por metro de tubería de descarga aumenta con la longitud total.
En términos generales, el espesor del tubo de descarga no afecta la potencia de salida. El tubo de la camisa de refrigeración por agua, al igual que el tubo de descarga, está hecho de vidrio duro.
Su función es enfriar el gas de trabajo, estabilizando la potencia de salida. El tubo de almacenamiento de gas está conectado a ambos extremos del tubo de descarga, lo que significa que un extremo del tubo de almacenamiento de gas tiene un pequeño orificio conectado al tubo de descarga y el otro extremo está conectado al tubo de descarga a través de un tubo de gas de retorno en espiral. .
Su función es permitir que el gas circule por el interior del tubo de descarga, facilitando el intercambio gaseoso constante.
② Resonador óptico
El resonador óptico está compuesto por un espejo de reflexión total y un espejo de reflexión parcial, lo que constituye una parte crucial del láser de CO2.
El resonador óptico normalmente tiene tres funciones: controlar la dirección de propagación del haz de luz, aumentando la monocromaticidad; seleccionar un modo; extendiendo la longitud de trabajo del medio activo.
El resonador óptico láser más simple y más utilizado se compone de dos espejos planos (o espejos esféricos) colocados uno frente al otro. El resonador láser de CO2 generalmente utiliza una cavidad cóncava plana, con el espejo reflectante hecho de vidrio óptico K8 o cuarzo óptico, procesado en un espejo cóncavo con un gran radio de curvatura.
Se deposita una película metálica altamente reflectante (película de oro) sobre la superficie del espejo, logrando una tasa de reflexión del 98,8% para la luz con una longitud de onda de 10,6 μm y tiene propiedades químicas estables.
Sabemos que la luz emitida por el dióxido de carbono es infrarroja, por lo que el espejo debe poder transmitir luz infrarroja. Debido a que el vidrio óptico ordinario es opaco a la luz infrarroja, se necesita un pequeño orificio en el centro del espejo de reflexión total, que luego se sella con un material que pueda transmitir un láser de 10,6 μm.
Esto sella el gas y permite que parte del láser del resonador salga de la cavidad de este pequeño orificio, formando un rayo láser.
③ Fuente de alimentación y bomba
La fuente de bomba proporciona energía para provocar una inversión de población entre los niveles de energía superior e inferior en el material de trabajo. La corriente de descarga de un láser de CO2 sellado es pequeña, utiliza un cátodo frío y el cátodo tiene forma cilíndrica con molibdeno o níquel.
Con una corriente de trabajo de 30-40 mA y un área del cilindro catódico de 500 cm2, el espejo no se contaminará. Se añade una barrera de luz entre el cátodo y el espejo.
3.2 Principio de funcionamiento básico del láser de CO2
Como se muestra en la Figura 2, el diagrama ilustra los niveles de energía molecular responsables de la generación de láser en un láser de CO2.
El proceso de excitación del láser de CO2, como se puede observar en la Figura 2, involucra principalmente tres gases: CO2, nitrógeno y helio. El CO2 es el gas que produce la radiación láser, mientras que el nitrógeno y el helio sirven como gases auxiliares.
El helio tiene dos propósitos: acelera el proceso de relajación térmica del nivel 010, lo que ayuda en la extracción de los niveles 100 y 020 y facilita la transferencia efectiva de calor.
La introducción de nitrógeno facilita principalmente la transferencia de energía en el láser de CO2, contribuyendo significativamente a la acumulación de partículas en los niveles superiores de energía del láser de CO2 y a la producción de láseres de alta potencia y eficiencia.
La bomba emplea excitación continua de energía CC. Su principio de alimentación de CC implica transformar el voltaje de CA conectado mediante un transformador y luego rectificar y filtrar el alto voltaje para aplicarlo al tubo láser.
El láser de CO2 es un láser de alta eficiencia que minimiza el daño al entorno de trabajo. Emite un láser invisible con una longitud de onda de 10,6 μm, lo que lo convierte en un láser ideal.
Según las condiciones de funcionamiento del gas, se puede dividir en tipo cerrado y circulante. Según el método de excitación, se puede dividir en excitación eléctrica, excitación química, excitación térmica, excitación óptica y excitación nuclear. Casi todos los láseres de CO2 utilizados en medicina están excitados eléctricamente.
El principio de funcionamiento básico del láser de CO2 es similar al de otros láseres moleculares, siendo el proceso de emisión estimulada bastante complejo.
La molécula tiene tres movimientos diferentes: el movimiento de los electrones dentro de la molécula, que determina el estado energético electrónico de la molécula; las vibraciones de los átomos dentro de la molécula, es decir, los átomos que oscilan periódicamente alrededor de sus posiciones de equilibrio, determinando el estado de energía vibratoria de la molécula; y la rotación de la molécula, es decir, la rotación continua de la molécula en el espacio en su conjunto, determinando el estado de energía rotacional de la molécula.
Los movimientos moleculares son extremadamente complejos, de ahí la complejidad de los niveles de energía.
Generación de láser en láser de CO2: normalmente se introduce una corriente continua de varias decenas a cientos de miliamperios en el tubo de descarga.
Durante la descarga, las moléculas de nitrógeno en el gas mezclado dentro del tubo de descarga se excitan debido a la colisión de electrones. Las moléculas de nitrógeno excitadas chocan entonces con las moléculas de CO2.
La molécula de N2 transfiere su energía a la molécula de CO2, provocando que la molécula de CO2 pase de un nivel de energía más bajo a uno más alto, lo que resulta en una inversión de población y, en consecuencia, la generación de láser.
3.3 Ventajas y desventajas de los láseres de CO2
En comparación con otros láseres, los láseres de CO2 tienen las siguientes ventajas y desventajas:
Beneficios:
Exhiben direccionalidad, monocromaticidad y estabilidad de frecuencia superiores. Dada la baja densidad del gas, es difícil lograr una alta densidad de partículas excitadas, por lo que la densidad de energía producida por un láser de gas CO2 es generalmente menor que la de un láser de estado sólido.
Desventajas:
Aunque la eficiencia de conversión de energía de los láseres de CO2 es bastante alta, no superará el 40%. Esto significa que más del 60% de la energía del gas se convierte en energía térmica, lo que provoca un aumento de temperatura. El aumento de la temperatura del gas puede causar la despoblación del nivel superior del láser y la excitación térmica del nivel inferior, los cuales disminuyen el número de inversiones de partículas.
Además, un aumento en la temperatura del gas puede hacer que la línea espectral se ensanche, lo que lleva a una disminución en el coeficiente de ganancia.
Especialmente, el aumento de la temperatura del gas también puede provocar la descomposición de las moléculas de CO2, reduciendo la concentración de moléculas de CO2 en el tubo de descarga. Estos factores pueden disminuir la potencia de salida del láser e incluso provocar un "enfriamiento térmico".
4. Aplicaciones de los láseres de CO2
4.1 Aplicaciones militares
En los últimos años, el constante desarrollo de los láseres de CO2 ha sido notable en aplicaciones militares. Las armas láser, como nuevo concepto, se han convertido en las preferidas en el armamento del nuevo siglo debido a sus ventajas sobre las armas convencionales tradicionales, como alta velocidad, buena direccionalidad, alta densidad de energía y alta eficiencia operativa.
Las armas láser de alta energía desempeñan un papel cada vez más importante en las aplicaciones militares y representan la dirección del futuro desarrollo de armas. Están preparados para cambiar profundamente el entorno actual del campo de batalla y las formas de hacer la guerra, transformando profundamente la naturaleza de los conflictos futuros.
Varios países han diseñado láseres de CO2 aerodinámicos de alta energía con gran potencia de salida para el desarrollo de armas láser de alta energía.
Una característica básica de la defensa antimisiles láser, o táctica antimisiles láser, es el uso de láseres de alta energía que viajan a la velocidad de la luz para destruir misiles u otros objetos voladores que se mueven a la velocidad del sonido.
Podemos decir con seguridad que en este ámbito predominan los láseres de CO2 debido a sus importantes ventajas.
Actualmente, el ejército está adoptando pequeños sistemas antimisiles láser terrestres, mientras que la fuerza aérea utiliza sistemas antimisiles láser aerotransportados y la marina utiliza sistemas antimisiles láser a bordo de barcos, todos los cuales utilizan láseres de CO2 de alta energía. . .
Las principales características de las futuras armas láser de CO2 son su potencia ultraalta y su alta portabilidad. Los láseres de alta energía serán un componente crucial de los futuros sistemas de combate y contribuirán a la contravigilancia, la protección activa, la defensa aérea y la remoción de minas.
La alta portabilidad aumentará en gran medida las capacidades de combate de cada soldado, maximizando el papel de cada soldado, aunque esta idea es actualmente teórica. En esta dirección se están desarrollando armas láser de varios países.
Se espera que las futuras armas láser de CO2 evolucionen hacia una alta funcionalidad, portabilidad y eficiencia letal. Como se muestra en la Figura 3:
4.2 Aplicaciones médicas
Durante los últimos 20 años, la tecnología láser ha avanzado rápidamente en el campo médico, curando eficazmente muchas enfermedades y trastornos congénitos.
Los láseres de CO2 de haz libre se utilizan en cirugías, a menudo sin contacto con el tejido de la piel, lo que proporciona varias ventajas sobre las cirugías convencionales, como una reducción del daño mecánico, una mayor protección de los tejidos circundantes y un mantenimiento más fácil de las condiciones asépticas.
En comparación con otras cirugías láser, el bisturí láser de CO2 tiene un mayor poder de corte, un mayor coeficiente de absorción del tejido y una menor concentración de penetración en el tejido (aproximadamente 0,23 mm). Esto hace que sea menos probable que se dañen las arterias durante la cirugía, lo que lleva al uso generalizado de láseres de CO2 continuos para el tratamiento quirúrgico clínico.
Sin embargo, el daño de los láseres continuos de CO2 a los tejidos en aplicaciones clínicas no es selectivo, lo que a menudo produce efectos secundarios como cicatrices en la piel después de la cirugía. Las lesiones cortadas o vaporizadas también pueden dañar los tejidos normales en diversos grados, lo que las hace inadecuadas para cirugías de alta demanda. Esto limita significativamente el uso futuro de los láseres de CO2 en medicina.
En 1983, Aderson y Parrish propusieron el principio de "fototermólisis selectiva" para el tratamiento con láser no dañino.
La idea esencial es que cuando el láser pasa a través del tejido normal para llegar a la lesión objetivo, el coeficiente de absorción de la lesión del láser debe ser mayor que el del tejido normal (cuanto mayor sea la diferencia, mejor) para evitar dañar el tejido. normal al destruir. la lesión diana.
El tiempo de relajación térmica del tejido objetivo debe ser mayor que el ancho del pulso o el tiempo de acción del láser, evitando que el calor se propague al tejido normal circundante durante el proceso de calentamiento del láser.
Basados en el principio de la “fototermólisis selectiva”, en los años 1990 aparecieron dispositivos médicos de pulsos de alta energía representados por máquinas de tratamiento con láser de CO2 ultrapulso.
Estos dispositivos se han aplicado con éxito, permitiendo avances innovadores en aplicaciones muy exigentes, especialmente dominantes en el campo de la cosmética láser. Las perspectivas de desarrollo son muy amplias.
Los láseres de CO2 Ultrapulse emplean tecnología de pulso avanzada y tecnología de control de potencia PWM. No solo aumentan rápidamente la potencia máxima del láser, entregando suficiente energía al tejido objetivo, sino que también controlan con precisión el ancho y la frecuencia de repetición de cada pulso mediante señales PWM.
Al calcular el tiempo de relajación térmica del tejido objetivo, el control del ancho del pulso puede lograr resultados quirúrgicos óptimos. Por ejemplo, el tiempo de relajación térmica de los capilares es de aproximadamente 10 μs, lo que requiere una anchura de pulso inferior a 10 μs; El tiempo de relajación térmica del tejido de la piel es de aproximadamente 1 ms, lo que requiere un ancho de pulso de menos de 1 ms para un dispositivo láser utilizado para el rejuvenecimiento de la piel y la eliminación de arrugas.
La diferencia más significativa entre los dispositivos láser modernos y los de hace más de una década reside en el control preciso de la duración del pulso, que garantiza fundamentalmente la seguridad del tratamiento con láser moderno.
Las máquinas de tratamiento con láser de CO2 Ultrapulse no solo comparten las características comunes de los bisturíes láser de CO2 continuo, sino que también tienen sus ventajas. Pueden producir láseres pulsados de alta energía y alta frecuencia de repetición, cumpliendo con los requisitos operativos de la "fototermólisis láser selectiva".
Pueden eliminar rápida y eficazmente los tejidos de la lesión objetivo, minimizando el daño del láser a los tejidos normales y aumentando significativamente la precisión y seguridad de las clínicas médicas.
La práctica clínica ha demostrado que, al realizar la misma cirugía, la potencia del láser utilizado por los láseres pulsados es mucho menor que la de los láseres continuos.
Por lo tanto, la reacción tisular provocada por la cirugía láser es más leve, el daño a los tejidos circundantes es menor, el tiempo es más corto y se produce menos humo durante el tratamiento, proporcionando un campo visual claro.
Los láseres de CO2 Ultrapulse han sido ampliamente utilizados en Otorrinolaringología, Ginecología, Neurocirugía, Cirugía General y Estética.
Lumenis, la empresa que introdujo Bridge Therapy, ha investigado y producido varios dispositivos de tratamiento con láser de CO2, como la serie NovaPulse para uso en otorrinolaringología y estética.
Otros ejemplos incluyen el dispositivo quirúrgico MODELO CTL1401 producido por la empresa polaca CTL y el GL-Ⅲ de la japonesa NANO LASER, un dispositivo de tratamiento con láser de CO2 para cirugía bucal.
4.3 Aplicaciones industriales
(1) tecnología de corte por láser de CO2
La tecnología de corte por láser se utiliza ampliamente en el procesamiento de materiales metálicos y no metálicos. Reduce significativamente el tiempo de procesamiento, reduce costos y mejora la calidad de las piezas de trabajo.
El corte por láser se logra mediante energía de alta densidad de potencia producida después de enfocar el láser.
En comparación con los métodos tradicionales de procesamiento de chapa metálica, el corte por láser ofrece una calidad de corte, velocidad, flexibilidad (que permite formas arbitrarias) y una amplia adaptabilidad del material superiores.
En términos de corte de metales, constituye el dominio principal del corte por láser de CO2. En la actualidad, teniendo en cuenta factores económicos, las máquinas de corte por láser de alta potencia se emplean generalmente para la subcontratación en formato de estación de procesamiento.
A medida que los láseres de CO2 de potencia media maduren en el mercado interno, varias fábricas de chapa adquirirán sus propias máquinas de corte por láser, lo que generará un aumento sustancial de la demanda.
El corte no metálico se aplica al corte de moldes, corte de madera y tableros de fibra de alta densidad y corte de plástico.
(2) Tecnología de soldadura láser de CO2
La soldadura láser es un método de unión de materiales, utilizado principalmente para unir materiales metálicos. Similar a las técnicas de soldadura tradicionales, conecta dos componentes o piezas fundiendo el material en el área de conexión.
Dada la alta concentración de energía láser, los procesos de calentamiento y enfriamiento son increíblemente rápidos.
Los materiales que son difíciles de procesar con técnicas de soldadura estándar debido a su fragilidad, alta dureza o gran flexibilidad, se pueden manejar fácilmente con láser.
Por otro lado, la soldadura láser no implica contacto mecánico, lo que facilita conseguir que la zona de soldadura no se deforme bajo tensión.
Al fundir la menor cantidad de material para obtener conexiones de aleación, la calidad de la soldadura mejora enormemente y aumenta la productividad.
La soldadura láser ofrece un cordón de soldadura profundo y una zona mínima afectada por el calor, lo que da como resultado una calidad superior.
Por ejemplo, en la soldadura de placas metálicas delgadas, los láseres de CO2 de potencia media son adecuados para soldar placas metálicas delgadas con un espesor inferior a 1 mm, como láminas laminadas de acero al silicio utilizadas a menudo en piezas de automóviles, generadores, limpiaparabrisas, motores de arranque, ventanas. elevadores, etc
Anteriormente se fijaban mediante punzonado y remachado, pero ahora se pueden soldar con láser.
La soldadura de baterías, especialmente en la producción de baterías de litio (como la soldadura de lengüetas, la soldadura de válvulas de seguridad, la soldadura de electrodos negativos, la soldadura de sellos de carcasa), la soldadura láser es el proceso ideal, ya que requiere una gran variedad y cantidad de máquinas de soldadura láser.
También está aumentando la demanda de soldadura láser en piezas de instrumentos de precisión, como la soldadura de diafragmas de acero inoxidable y carcasas de instrumentos de aviación.
V. Estado actual de la investigación y perspectivas futuras de los láseres de CO2
5.1 Estado actual de la investigación sobre láser de CO2
Durante casi 50 años desde su creación, el láser de CO2 ha sido el foco de atención humana. Este tipo de láser de gas funciona utilizando gas CO2 como medio de trabajo. Los láseres de CO2 son una categoría importante de láseres de gas.
Las principales direcciones de investigación actuales para los láseres de CO2 incluyen:
1. Láseres de CO2 de alta eficiencia.
Sin duda, en comparación con los láseres de estado sólido, su eficiencia es altísima. Sin embargo, en general, en comparación con el propio láser de CO2, la eficiencia sigue siendo comparativamente baja.
En 1964, con el uso de N2 se logró una eficiencia de conversión del 3%; en 1965, utilizando una mezcla de gases CO2-N2-He, la eficiencia de conversión alcanzó el 6%. Hasta la fecha, la eficiencia más alta no supera el 60%.
Muchas empresas están investigando mejoras de eficiencia. Por ejemplo, la empresa estadounidense Datong ha conseguido una eficiencia de alrededor del 60% en sus láseres de CO2.
2. Láseres de CO2 pequeños y multifuncionales.
La mayoría de láseres de CO2 actuales tienen una única función y sólo pueden realizar una tarea muy concreta. Sabemos que los láseres de CO2 que se utilizan en los grandes hospitales para eliminar pecas y pelos son bastante voluminosos, pero sus estructuras son fundamentalmente las mismas. El uso de láseres de CO2 multifuncionales da como resultado un volumen físico menor y, relativamente, un precio mucho más bajo.
3. Láseres de CO2 de alta potencia.
El alto poder siempre ha sido una búsqueda militar. En este sentido, el nivel de investigación de algunas empresas militares nacionales está relativamente atrasado. La Fuerza Aérea de EE.UU. fue la primera en empezar a investigar láseres de CO2 de alta potencia.
En 1975, el undécimo aniversario del nacimiento del láser de CO2, la Fuerza Aérea de EE. UU. desarrolló un láser de CO2 con un nivel de potencia que alcanzaba los 30 KW. En 1988, la potencia de salida del láser de CO2 investigado alcanzó los 380 KW.
Según algunos datos publicados por el ejército estadounidense, la potencia de salida de los láseres de CO2 desarrollados ha alcanzado ya decenas de megavatios.
4. Investigación en tecnología industrial.
Los láseres de CO2 dominan el procesamiento láser y se utilizan ampliamente para soldar, cortar, tratar térmicamente y limpiar, entre otras cosas. La calidad y potencia del láser tienen requisitos muy precisos.
Por lo tanto, los láseres industriales de CO2 deben tener rayos láser de alta calidad y una potencia de salida estable.
Las aplicaciones del láser ya han permeado áreas como la óptica, la medicina, la energía nuclear, la astronomía, la geografía y la oceanografía, marcando el desarrollo de la nueva revolución tecnológica.
Si comparamos la historia del desarrollo del láser con la historia de la electrónica y la aviación, deberíamos darnos cuenta de que todavía estamos en las primeras etapas del desarrollo del láser y que se vislumbra un futuro aún más emocionante y prometedor en el horizonte.
5.2 Perspectivas futuras de los láseres de CO2
El futuro de los láseres de CO2 evolucionará en las siguientes direcciones:
(1) Láser de CO2 de flujo cruzado de alta potencia.
Este láser de CO2 de flujo cruzado de alta potencia se utiliza para procesamiento láser y tratamiento térmico, con una estructura integrada en forma de caja. La carcasa superior de la unidad alberga una cámara de descarga integrada, un intercambiador de calor, un sistema de ventilador, una guía de entrada/salida y un resonador óptico.
La caja inferior contiene la fuente de energía del láser, el sistema de carga y descarga de gas, la bomba de vacío, la caja de resistencia de lastre y la caja de control.
En comparación con la tecnología existente, presenta una estructura compacta, fácil instalación, mantenimiento, alta eficiencia en el trabajo y puede miniaturizarse.
Sus principales aplicaciones se encuentran en la soldadura de herramientas de diamante, engranajes de automóviles, generadores de gas para bolsas de aire de automóviles, procesos de superposición y endurecimiento de superficies con láser, y aplicaciones únicas como la reparación de superficies de piezas petroquímicas y el endurecimiento de superficies mediante la fusión de rollos de acero.
(2) Láser de CO2 Q-Switched acústico-óptico.
Para cumplir con los requisitos de aplicación en áreas como alcance láser, detección ambiental, comunicación espacial e investigación de mecanismos de interacción láser-material, se ha desarrollado un láser de CO2 acústico con conmutación Q.
Utilizando las ecuaciones de velocidad de los láseres de pulso con conmutación Q, se analizaron teóricamente, calcularon y luego verificaron experimentalmente los principales parámetros técnicos de la potencia del láser.
La frecuencia de repetición del pulso láser es de 1 Hz a 50 kHz. En funcionamiento a 1 kHz, el ancho del pulso del láser de salida es de 180 ns y la potencia máxima es de 4062 W, lo que es básicamente consistente con los cálculos teóricos.
Los resultados muestran que se pueden lograr una alta frecuencia de repetición, un ancho de pulso estrecho y una potencia máxima alta de un láser de CO2 de tamaño pequeño mediante una selección óptima del cristal acústico-óptico (AO) y un diseño razonable del resonador.
La sintonización de la longitud de onda y la salida codificada de dichos láseres se pueden lograr mediante el diseño de selección de línea de cuadrícula y el control de señal TTL.
(3) Láser de CO2 compacto con guía de ondas excitada por RF de larga duración.
Para ampliar la aplicación de los láseres de CO2 en el procesamiento industrial y el uso militar, se desarrolló un láser compacto de guía de ondas excitado por RF de larga duración utilizando perfiles de aleación de aluminio extruido para el cuerpo del láser, inductancia de disco en lugar de la inductancia tradicional bobinada y un sellado totalmente metálico. proceso.
Puede emitir de forma continua o pulsar a una frecuencia de modulación de no más de 20 kHz, con una potencia de salida máxima de 30 W, una vida útil de más de 1500 horas y una vida útil de almacenamiento de más de 1,5 años.
Los resultados muestran que este láser presenta una estructura compacta, potencia de salida estable, larga vida útil y puede funcionar en modos de modulación continua y de pulso. No sólo puede procesar diversos materiales sino que también puede utilizarse en aplicaciones militares.
(4) Nuevo láser portátil TEA CO2.
Se trata de un nuevo láser portátil de CO2 a presión atmosférica con excitación transversal. El láser funciona con cuatro baterías recargables número 5 y puede funcionar de forma continua durante 1 hora a una frecuencia de repetición de 1 Hz.
El tamaño de la unidad láser completa (incluyendo la fuente de alimentación y el sistema de control) es de 200 nm×200 mm×360 mm y su peso es inferior a 8 kg. El láser utiliza preionización de corona ultravioleta para una descarga estable y uniforme.
En condiciones de oscilación libre, la energía de salida del pulso láser alcanza los 35 mJ y el ancho del pulso de salida es de 70 ns.
(5) Láser de CO2 continuo de alta potencia.
En respuesta al problema de las grietas y la deformación de las palas en el revestimiento láser continuo de las palas de las turbinas de los motores de helicópteros, se adoptó un nuevo esquema de control de potencia en un láser de CO2 de flujo cruzado continuo de 5 kW.
A través del software y los controles relacionados, se ha logrado una salida de potencia de láser pulsado, superando los problemas de costo y estabilidad causados por las fuentes de alimentación conmutadas de alta potencia.
La frecuencia de modulación de pulso puede alcanzar los 5 Hz y el ciclo de trabajo de modulación puede oscilar entre el 5% y el 100%.
En un experimento con recubrimiento en polvo de aleación Stellite X-40 sobre la superficie de aleación K403 de las palas del motor, se utilizó una potencia máxima de 4 kW, una frecuencia de repetición de pulsos de 4 Hz y un ciclo de trabajo del 20%.
Los resultados mostraron que la zona afectada por el calor se redujo en un 50% después del recubrimiento, la dureza aumentó en un 5%, el rendimiento de la unión interfacial fue comparable al del material base y no hubo grietas en el recubrimiento ni deformación de la hoja.
