I. Introdução
Em 1964, Patel obteve saída contínua de laser em comprimentos de onda próximos a 10,4 mícrons e 9,4 mícrons na descarga de gás CO2, dando origem ao primeiro laser molecular de CO2 do mundo.
Possui uma potência significativa e alta eficiência de conversão de energia.
Ele utiliza a transição entre os níveis de energia vibracional-rotacional das moléculas de CO2, o que resulta em um espectro rico. Existem dezenas de linhas espectrais para saída de laser perto de 10 mícrons. Sua ampla aplicação na indústria, nas forças armadas, na medicina e na pesquisa científica trouxe muitas conveniências para nossas vidas.
Em 1966 nasceu o laser de CO2 aerodinâmico, chamando grande atenção para a tecnologia do laser de CO2. A introdução da aerodinâmica na tecnologia laser abriu amplas perspectivas para o uso de lasers de CO2.
Com o avanço da ciência e da tecnologia, a tecnologia laser em todo o mundo também se desenvolveu em conformidade. O laser de dióxido de carbono é atualmente um dos lasers com alta potência de saída contínua. Seu desenvolvimento inicial e produtos comerciais maduros têm sido amplamente utilizados em áreas como processamento de materiais, uso médico, armas militares e medição ambiental.
No desenvolvimento e aplicação de lasers, a criação e aplicação de lasers de CO2 surgiram mais cedo e com maior frequência. Já no final da década de 1970, os lasers de CO2 foram importados diretamente do exterior para processamento industrial e aplicações médicas.
Desde o final da década de 1980, os lasers de CO2 foram amplamente introduzidos e aplicados na área de processamento de materiais.
Este artigo apresenta principalmente os princípios básicos e a estrutura do laser de CO2 e concentra-se na aplicação do laser de CO2 sob três aspectos. Por fim, apresenta o estado atual da pesquisa e as perspectivas futuras do laser de CO2.
II. Lasers
2.1 Três condições para produção de laser
A produção de lasers requer três condições:
(1) Um meio de ganho que fornece amplificação como material de trabalho do laser, e suas partículas ativadas (átomos, moléculas ou íons) possuem uma estrutura de nível de energia adequada para emissão estimulada;
(2) Uma fonte de excitação externa que bombeia partículas de níveis de energia mais baixos para níveis mais altos, causando uma inversão do número de partículas entre os níveis de energia superior e inferior do laser;
(3) Um ressonador óptico que estende o comprimento de trabalho do meio ativado, controla a direção do feixe de luz e seleciona a frequência da luz de emissão estimulada para melhorar a monocromaticidade.
2.2 Características dos lasers
Comparados às fontes de luz comuns, os lasers possuem quatro características principais: excelente direcionalidade, brilho extremamente alto, boa monocromaticidade e alta coerência.
2.3 Dispositivos Laser
Um dispositivo laser é um mecanismo capaz de emitir lasers. O primeiro amplificador quântico de micro-ondas foi fabricado em 1954, produzindo um feixe de micro-ondas altamente coerente.
Em 1958, AL Schawlow e CH Townes estenderam os princípios dos amplificadores quânticos de micro-ondas para a faixa de frequência óptica e delinearam os métodos para geração de lasers.
Em 1960, TH Maiman e sua equipe construíram o primeiro laser de rubi. Em 1961, um laser de hélio-neon foi produzido por A. Javan e outros, e em 1962, RN Hall e sua equipe criaram um laser semicondutor de arsenieto de gálio. Desde então, os tipos de lasers têm se expandido continuamente.
Além dos lasers de elétrons livres, os princípios fundamentais de funcionamento de vários lasers são idênticos.
As condições essenciais para a produção de um laser são a inversão do número de partículas e o ganho superior à perda, de modo que os componentes indispensáveis de um sistema incluem uma fonte de excitação (ou bomba) e um meio de trabalho com níveis de energia metaestáveis.
A excitação é o estado de excitação após o meio de trabalho absorver energia externa, criando condições para alcançar e manter a inversão do número de partículas. Os métodos de excitação incluem excitação óptica, excitação elétrica, excitação química e excitação por energia nuclear.
O meio de trabalho com um nível de energia metaestável permite que a radiação estimulada domine, conseguindo assim a amplificação da luz. Os componentes comuns em um dispositivo a laser também incluem uma cavidade ressonante.
No entanto, a cavidade ressonante (ver cavidade ressonante óptica) não é um componente essencial. A cavidade ressonante pode alinhar a frequência, fase e direção dos fótons dentro da cavidade, proporcionando assim ao laser excelente direcionalidade e coerência.
Além disso, pode efetivamente encurtar o comprimento do material de trabalho e ajustar o modo do laser produzido alterando o comprimento da cavidade ressonante. Portanto, a maioria dos dispositivos a laser possui uma cavidade ressonante.
Existem muitos tipos de lasers. Abaixo, iremos categorizá-los e apresentá-los com base no material de trabalho do laser, método de excitação e modo de operação.
(1) Por material de trabalho
Os lasers podem ser agrupados em várias categorias com base no estado do material de trabalho:
① Lasers sólidos (cristal e vidro);
② Lasers de gás, divididos em lasers de gás atômico, lasers de gás iônico, lasers de gás molecular e lasers de gás quase molecular;
③ Lasers líquidos, cujos materiais de trabalho incluem principalmente dois tipos: soluções de corantes fluorescentes orgânicos e soluções de compostos inorgânicos contendo íons de metais de terras raras;
④ Lasers semicondutores;
⑤ Lasers de elétrons livres.
(2) Por método de excitação
① Lasers bombeados opticamente;
② Lasers eletricamente excitados;
③ Lasers químicos;
④ Lasers bombeados nucleares.
(3) Por modo de operação
Devido aos diferentes materiais de trabalho, métodos de excitação e finalidades de aplicação dos lasers, seus modos de operação e estados de trabalho também variam. Eles podem ser divididos em vários tipos principais:
① Lasers contínuos;
② Lasers de pulso único;
③ Lasers de pulso repetitivos;
④ Lasers modulados;
⑤ Lasers com modo bloqueado;
⑥ Lasers monomodo e de frequência estável;
⑦ Lasers ajustáveis.
III. O Princípio dos Lasers de CO2
3.1 Estrutura Básica de um Laser CO2
Conforme mostrado na Figura 1, uma estrutura típica de laser de CO2 é representada. Os dois espelhos que formam a cavidade ressonante do laser de CO2 são colocados em um suporte de cavidade ajustável. O método mais simples é fixar diretamente os espelhos em ambas as extremidades do tubo de descarga.
Estrutura básica:
① Tubo Laser
Esta é a parte mais crítica do laser. Geralmente é composto de três partes (conforme mostrado na Figura 1): o espaço de descarga (tubo de descarga), a camisa de resfriamento de água (tubo) e o reservatório de gás.
O tubo de descarga é normalmente feito de vidro duro e geralmente emprega uma estrutura de cilindro em cascata. Afeta a saída do laser e a potência da saída do laser. O comprimento do tubo de descarga é proporcional à potência de saída.
Dentro de uma determinada faixa de comprimento, a potência por metro de tubo de descarga aumenta com o comprimento total.
De modo geral, a espessura do tubo de descarga não afeta a potência de saída. O tubo da camisa de resfriamento a água, assim como o tubo de descarga, é feito de vidro duro.
Sua função é resfriar o gás de trabalho, estabilizando a potência de saída. O tubo de armazenamento de gás é conectado a ambas as extremidades do tubo de descarga, o que significa que uma extremidade do tubo de armazenamento de gás tem um pequeno orifício conectado ao tubo de descarga e a outra extremidade é conectada ao tubo de descarga através de um tubo de gás de retorno em espiral.
Sua função é permitir que o gás circule dentro do tubo de descarga, facilitando a troca gasosa constante.
② Ressonador Óptico
O ressonador óptico é composto por um espelho de reflexão total e um espelho de reflexão parcial, constituindo uma parte crucial do laser de CO2.
O ressonador óptico normalmente possui três funções: controlar a direção de propagação do feixe de luz, aumentando a monocromaticidade; selecionando um modo; estendendo o comprimento de trabalho do meio ativo.
O ressonador óptico de laser mais simples e comumente usado é composto por dois espelhos planos (ou espelhos esféricos) colocados um em frente ao outro. O ressonador do laser de CO2 geralmente usa uma cavidade plana-côncava, com o espelho refletivo feito de vidro óptico K8 ou quartzo óptico, processado em um espelho côncavo com grande raio de curvatura.
Um filme metálico altamente reflexivo – filme de ouro – é depositado na superfície do espelho, atingindo uma taxa de reflexão de 98,8% para luz com comprimento de onda de 10,6 μm e possui propriedades químicas estáveis.
Sabemos que a luz emitida pelo dióxido de carbono é infravermelha, por isso o espelho precisa ser capaz de transmitir luz infravermelha. Como o vidro óptico comum é opaco à luz infravermelha, é necessário um pequeno orifício no centro do espelho de reflexão total, que é então selado com um material que pode transmitir um laser de 10,6 μm.
Isto sela o gás e permite que uma parte do laser no ressonador saia da cavidade deste pequeno orifício, formando um feixe de laser.
③ Fonte de alimentação e bomba
A fonte da bomba fornece energia para causar uma inversão populacional entre os níveis de energia superior e inferior no material de trabalho. A corrente de descarga de um laser de CO2 selado é pequena, usando um cátodo frio, e o cátodo é feito em formato cilíndrico com molibdênio ou níquel.
Com uma corrente de trabalho de 30-40mA e uma área do cilindro catódico de 500cm2, o espelho não ficará contaminado. Uma barreira de luz é adicionada entre o cátodo e o espelho.
3.2 Princípio Operacional Básico do Laser CO2
Conforme mostrado na Figura 2, o diagrama ilustra os níveis de energia molecular responsáveis pela geração do laser em um laser de CO2.
O processo de excitação do laser de CO2, como pode ser visto na Figura 2, envolve principalmente três gases: CO2, nitrogênio e hélio. O CO2 é o gás que produz a radiação laser, enquanto o nitrogênio e o hélio servem como gases auxiliares.
O hélio tem duas finalidades: acelera o processo de relaxamento térmico do nível 010, o que auxilia na extração dos níveis 100 e 020 e facilita a transferência eficaz de calor.
A introdução de nitrogênio facilita principalmente a transferência de energia no laser de CO2, contribuindo significativamente para o acúmulo de partículas nos níveis de energia superiores do laser de CO2 e para a produção de lasers de alta potência e alta eficiência.
A bomba emprega excitação contínua de energia CC. Seu princípio de alimentação CC envolve transformar a tensão CA conectada usando um transformador e, em seguida, retificar e filtrar a alta tensão para aplicá-la ao tubo laser.
O laser de CO2 é um laser de alta eficiência que minimiza danos ao meio de trabalho. Ele emite um laser invisível com comprimento de onda de 10,6 μm, tornando-o um laser ideal.
De acordo com as condições de funcionamento do gás, ele pode ser dividido em tipo fechado e de circulação. Com base no método de excitação, pode ser dividido em excitação elétrica, excitação química, excitação térmica, excitação óptica e excitação nuclear. Quase todos os lasers de CO2 usados na medicina são excitados eletricamente.
O princípio básico de funcionamento do laser de CO2 é semelhante a outros lasers moleculares, sendo o processo de emissão estimulada bastante complexo.
A molécula possui três movimentos diferentes: o movimento dos elétrons dentro da molécula, que determina o estado de energia eletrônica da molécula; as vibrações dos átomos dentro da molécula, ou seja, átomos oscilando periodicamente em torno de suas posições de equilíbrio, determinando o estado de energia vibracional da molécula; e a rotação da molécula, ou seja, a rotação contínua da molécula no espaço como um todo, determinando o estado de energia rotacional da molécula.
Os movimentos moleculares são extremamente complexos, daí a complexidade dos níveis de energia.
Geração de laser em laser de CO2: No tubo de descarga, normalmente é inserida uma corrente CC de várias dezenas a centenas de miliamperes.
Durante a descarga, as moléculas de nitrogênio no gás misturado dentro do tubo de descarga são excitadas devido à colisão de elétrons. As moléculas de nitrogênio excitadas colidem então com as moléculas de CO2.
A molécula de N2 transfere sua energia para a molécula de CO2, fazendo com que a molécula de CO2 transite de um nível de energia mais baixo para um mais alto, resultando em uma inversão populacional e, consequentemente, na geração de laser.
3.3 Vantagens e Desvantagens dos Lasers de CO2
Em comparação com outros lasers, os lasers de CO2 têm as seguintes vantagens e desvantagens:
Vantagens:
Eles exibem direcionalidade, monocromaticidade e estabilidade de frequência superiores. Dada a baixa densidade do gás, é difícil alcançar uma alta densidade de partículas excitadas, de modo que a saída de densidade de energia de um laser de gás CO2 é geralmente menor do que a de um laser de estado sólido.
Desvantagens:
Embora a eficiência de conversão de energia dos lasers de CO2 seja bastante elevada, não excederá 40%. Isso significa que mais de 60% da energia é convertida em energia térmica do gás, resultando em aumento de temperatura. O aumento da temperatura do gás pode causar despovoamento do nível superior do laser e excitação térmica do nível inferior, ambos diminuindo o número de inversões de partículas.
Além disso, um aumento na temperatura do gás pode causar o alargamento da linha espectral, levando a uma diminuição no coeficiente de ganho.
Especialmente, o aumento da temperatura do gás também pode causar a decomposição das moléculas de CO2, reduzindo a concentração de moléculas de CO2 no tubo de descarga. Esses fatores podem diminuir a potência de saída do laser e até levar à “extinção térmica”.
4. Aplicações de lasers de CO2
4.1 Aplicações Militares
Nos últimos anos, o desenvolvimento constante de lasers de CO2 tem sido notável em aplicações militares. As armas a laser, como um novo conceito, tornaram-se preferidas no armamento do novo século devido às suas vantagens sobre as armas convencionais tradicionais, como alta velocidade, boa direcionalidade, alta densidade de energia e alta eficiência operacional.
As armas laser de alta energia desempenham um papel cada vez mais importante em aplicações militares, representando a direção do futuro desenvolvimento de armamento. Estão preparados para mudar profundamente o atual ambiente do campo de batalha e os modos de guerra, transformando profundamente a natureza dos conflitos futuros.
Lasers de CO2 aerodinâmicos de alta energia com alta potência de saída foram projetados por vários países para o desenvolvimento de armas a laser de alta energia.
Uma característica básica da defesa contra mísseis a laser, ou táticas antimísseis a laser, é o uso de lasers de alta energia viajando à velocidade da luz para destruir mísseis ou outros objetos voadores que se movem à velocidade do som.
Podemos dizer com segurança que esta área é dominada pelos lasers de CO2 devido às suas vantagens significativas.
Atualmente, o exército está adotando pequenos sistemas antimísseis a laser baseados em terra, enquanto a força aérea está usando sistemas antimísseis a laser aerotransportados, e a marinha está usando sistemas antimísseis a laser embarcados, todos os quais usam lasers de CO2 de alta energia. .
As principais características das futuras armas a laser de CO2 são potência ultra-alta e alta portabilidade. Os lasers de alta energia serão um componente crucial dos futuros sistemas de combate, contribuindo para a contra-vigilância, a protecção activa, a defesa aérea e a desminagem.
A alta portabilidade aumentará muito as capacidades de combate de cada soldado, maximizando o papel de cada soldado, embora esta ideia seja atualmente teórica. Armas laser de vários países estão sendo desenvolvidas nessa direção.
Espera-se que as futuras armas a laser de CO2 evoluam para alta funcionalidade, portabilidade e eficiência letal. Conforme mostrado na Figura 3:
4.2 Aplicações Médicas
Nos últimos 20 anos, a tecnologia laser avançou rapidamente na área médica, curando efetivamente muitas doenças e distúrbios congênitos.
Os lasers de CO2 de feixe livre são utilizados em cirurgias, muitas vezes sem contato com o tecido cutâneo, proporcionando diversas vantagens em relação às cirurgias convencionais, como redução de danos mecânicos, aumento da proteção dos tecidos circundantes e manutenção mais fácil das condições assépticas.
Comparado a outras cirurgias a laser, o bisturi a laser CO2 tem maior poder de corte, maior coeficiente de absorção tecidual e menor concentração de penetração tecidual (aproximadamente 0,23 mm). Isto torna menos provável danificar as artérias durante a cirurgia, levando ao uso generalizado de lasers de CO2 contínuos para tratamento cirúrgico clínico.
No entanto, o dano dos lasers de CO2 contínuos aos tecidos em aplicações clínicas não é seletivo, muitas vezes resultando em efeitos colaterais como cicatrizes na pele após a cirurgia. O corte ou vaporização de lesões também pode prejudicar os tecidos normais em graus variados, tornando-o inadequado para cirurgias com exigências elevadas. Isto limita significativamente a aplicação adicional de lasers de CO2 na medicina.
Em 1983, Aderson e Parrish propuseram o princípio da “fototermólise seletiva” para tratamento a laser não prejudicial.
A ideia essencial é que quando o laser passa através do tecido normal para atingir a lesão alvo, o coeficiente de absorção da lesão para o laser deve ser maior do que o do tecido normal – quanto maior a diferença, melhor – para evitar danificar o tecido normal ao destruir. a lesão alvo.
O tempo de relaxamento térmico do tecido alvo deve ser maior que a largura do pulso ou o tempo de ação do laser, evitando que o calor se espalhe para o tecido normal circundante durante o processo de aquecimento do laser.
Com base no princípio da “fototermólise seletiva”, surgiram na década de 1990 dispositivos médicos de pulso de alta energia representados por máquinas de tratamento a laser de CO2 ultrapulso.
Esses dispositivos foram aplicados com sucesso, permitindo progressos inovadores em aplicações de alta exigência, especialmente dominantes no campo de cosméticos a laser. As perspectivas de desenvolvimento são muito amplas.
Os lasers de CO2 ultrapulsos empregam tecnologia avançada de pulso e tecnologia de controle de potência PWM. Eles não apenas aumentam rapidamente a potência de pico do laser, fornecendo energia suficiente ao tecido alvo, mas também controlam com precisão a largura e a frequência de repetição de cada pulso por meio de sinais PWM.
Ao calcular o tempo de relaxamento térmico do tecido alvo, o controle da largura do pulso pode alcançar resultados cirúrgicos ideais. Por exemplo, o tempo de relaxamento térmico dos capilares é de cerca de 10μs, exigindo uma largura de pulso menor que 10μs; o tempo de relaxamento térmico do tecido da pele é de aproximadamente 1 ms, necessitando de uma largura de pulso menor que 1 ms para um dispositivo a laser usado para recapeamento da pele e remoção de rugas.
A diferença mais significativa entre os dispositivos laser modernos e os de mais de uma década atrás reside no controle preciso da largura do pulso, o que garante fundamentalmente a segurança do tratamento a laser moderno.
As máquinas de tratamento a laser CO2 ultrapulso não apenas compartilham as características comuns dos bisturis a laser CO2 contínuo, mas também têm suas vantagens. Eles podem produzir lasers pulsados de alta energia e alta frequência de repetição, atendendo aos requisitos operacionais de “fototermólise seletiva a laser”.
Eles podem remover de forma rápida e eficaz os tecidos da lesão alvo, minimizando os danos do laser aos tecidos normais e aumentando significativamente a precisão e a segurança das clínicas médicas.
A prática clínica tem demonstrado que, ao realizar a mesma cirurgia, a potência do laser utilizada pelos lasers pulsados é muito inferior à dos lasers contínuos.
Portanto, a reação tecidual causada pela cirurgia a laser é mais leve, o dano aos tecidos circundantes é menor, o tempo é mais curto e menos fumaça é produzida durante o tratamento, proporcionando um campo visual claro.
Os lasers de CO2 ultrapulsos têm sido amplamente utilizados em Otorrinolaringologia, Ginecologia, Neurocirurgia, Cirurgia Geral e Estética.
A Lumenis, empresa que introduziu a Bridge Therapy, pesquisou e produziu diversos dispositivos de tratamento com laser de CO2, como a Série NovaPulse para uso em Otorrinolaringologia e Estética.
Outros exemplos incluem o dispositivo cirúrgico MODELO CTL1401 produzido pela empresa polonesa CTL, e o GL-Ⅲ da japonesa NANO LASER, um dispositivo de tratamento a laser de CO2 para cirurgia oral.
4.3 Aplicações Industriais
(1) Tecnologia de corte a laser CO2
A tecnologia de corte a laser é amplamente utilizada no processamento de materiais metálicos e não metálicos. Reduz significativamente o tempo de processamento, reduz custos e melhora a qualidade das peças de trabalho.
O corte a laser é obtido pela energia de alta densidade de potência produzida após o foco do laser.
Comparado aos métodos tradicionais de processamento de chapas metálicas, o corte a laser oferece qualidade de corte superior, velocidade, flexibilidade (permitindo formatos arbitrários) e ampla adaptabilidade do material.
Em termos de corte de metal, constitui o domínio principal do corte a laser CO2. Atualmente, considerando fatores econômicos, máquinas de corte a laser de alta potência são geralmente empregadas para subcontratação em formato de estação de processamento.
Com o amadurecimento dos lasers de CO2 de média potência no mercado interno, várias fábricas de chapas metálicas adquirirão suas próprias máquinas de corte a laser, levando a um aumento substancial na demanda.
O corte de não metais é aplicado no corte de moldes, corte de madeira e placas de fibra de alta densidade e corte de plástico.
(2) Tecnologia de soldagem a laser CO2
A soldagem a laser é um método de união de materiais, predominantemente utilizado para a ligação de materiais metálicos. Semelhante às técnicas tradicionais de soldagem, conecta dois componentes ou peças derretendo o material na área de conexão.
Dada a alta concentração de energia laser, os processos de aquecimento e resfriamento são incrivelmente rápidos.
Materiais que são difíceis de processar com técnicas de soldagem padrão, devido à sua fragilidade, alta dureza ou forte flexibilidade, podem ser facilmente gerenciados com lasers.
Por outro lado, a soldagem a laser não envolve contato mecânico, facilitando a garantia de que a área de soldagem não se deforme sob tensão.
Ao derreter a menor quantidade de material para obter conexões de liga, a qualidade da soldagem é bastante melhorada e a produtividade aumenta.
A soldagem a laser oferece um cordão de solda profundo e uma zona mínima afetada pelo calor, resultando em qualidade superior.
Por exemplo, na soldagem de placas finas de metal, os lasers de CO2 de média potência são adequados para soldar placas finas de metal com espessura inferior a 1 mm, como chapas laminadas de aço silício frequentemente usadas em peças de automóveis, geradores, limpadores, motores de partida, janelas levantadores, etc.
Anteriormente, eles eram fixados por punção e rebitagem, mas agora podem ser soldados por laser.
Soldagem de baterias, particularmente na produção de baterias de lítio – como soldagem de abas, soldagem de válvulas de segurança, soldagem de eletrodo negativo, soldagem de vedação de invólucro – a soldagem a laser é o processo ideal, exigindo uma grande variedade e número de máquinas de soldagem a laser.
A demanda por soldagem a laser em peças de instrumentos de precisão também está aumentando, como a soldagem de diafragmas de aço inoxidável e carcaças de instrumentos de aviação.
V. Situação atual da pesquisa e perspectivas futuras dos lasers de CO2
5.1 Situação Atual da Pesquisa de Lasers de CO2
Durante quase 50 anos desde a sua criação, o laser de CO2 tem sido o foco da atenção humana. Este tipo de laser a gás opera usando gás CO2 como meio de trabalho. Os lasers de CO2 são uma categoria significativa de lasers a gás.
As principais direções atuais de pesquisa para lasers de CO2 incluem:
1. Lasers de CO2 de alta eficiência.
Sem dúvida, comparado aos lasers de estado sólido, sua eficiência é extremamente alta. No entanto, no geral, em relação ao próprio laser de CO2, a eficiência ainda é comparativamente baixa.
Em 1964, com o emprego do N2, foi alcançada uma eficiência de conversão de 3%; em 1965, utilizando uma mistura de gases CO2-N2-He, a eficiência de conversão atingiu 6%. Até o momento, a maior eficiência não ultrapassa 60%.
Muitas empresas estão pesquisando melhorias de eficiência. Por exemplo, a empresa americana Datong alcançou uma eficiência de cerca de 60% nos seus lasers de CO2.
2. Lasers de CO2 pequenos e multifuncionais.
A maioria dos atuais lasers de CO2 tem uma única função e só pode realizar uma tarefa muito específica. Sabemos que os lasers de CO2 usados em grandes hospitais para remover sardas e cabelos são bastante volumosos, mas suas estruturas são fundamentalmente as mesmas. O uso de lasers de CO2 multifuncionais resulta em menor volume físico e, relativamente, em um preço muito mais baixo.
3. Lasers de CO2 de alta potência.
O alto poder sempre foi uma busca militar. A este respeito, o nível de investigação de algumas empresas militares nacionais é relativamente atrasado. A Força Aérea dos EUA foi a primeira a começar a pesquisar lasers de CO2 de alta potência.
Em 1975, décimo primeiro aniversário do nascimento do laser de CO2, a Força Aérea dos EUA desenvolveu um laser de CO2 com um nível de potência que chegava a 30KW. Em 1988, a potência de saída do laser de CO2 pesquisado atingiu 380KW.
De acordo com alguns dados divulgados pelos militares dos EUA, a potência de saída dos lasers de CO2 desenvolvidos atingiu agora o nível de dezenas de megawatts.
4. Investigação em tecnologia industrial.
Os lasers de CO2 dominam o processamento a laser, sendo amplamente utilizados para soldagem, corte, tratamento térmico e limpeza, entre outras coisas. A qualidade e a potência do laser têm requisitos muito precisos.
Portanto, os lasers industriais de CO2 precisam ter feixes de laser de alta qualidade e potência de saída estável.
As aplicações do laser já permearam áreas como óptica, medicina, energia nuclear, astronomia, geografia e oceanografia, marcando o desenvolvimento da nova revolução tecnológica.
Se você comparar a história do desenvolvimento do laser com a história da eletrônica e da aviação, deverá perceber que ainda estamos nos estágios iniciais do desenvolvimento do laser e que um futuro ainda mais emocionante e promissor está no horizonte.
5.2 Perspectivas Futuras dos Lasers de CO2
O futuro dos lasers de CO2 evoluirá nas seguintes direções:
(1) Laser de CO2 de fluxo transversal de alta potência.
Este laser de CO2 de fluxo transversal de alta potência é usado para processamento a laser e tratamento térmico, com uma estrutura integrada em forma de caixa. A caixa superior da unidade abriga uma câmara de descarga integrada, trocador de calor, sistema de ventilador, guia de entrada/saída e um ressonador óptico.
A caixa inferior contém a fonte de energia do laser, sistema de carga e descarga de gás, bomba de vácuo, caixa de resistor de lastro e caixa de controle.
Comparado à tecnologia existente, apresenta estrutura compacta, fácil instalação, manutenção, alta eficiência de trabalho e pode ser miniaturizado.
Suas principais aplicações são na soldagem de ferramentas diamantadas, engrenagens automotivas, geradores de gás de airbag automotivo, processos de endurecimento e sobreposição de superfícies a laser e aplicações exclusivas como reparo de superfície de peças petroquímicas e endurecimento de superfície por fusão de rolos de aço.
(2) Laser de CO2 Q-Switched acústico-óptico.
Para atender aos requisitos de aplicação em áreas como alcance de laser, detecção ambiental, comunicação espacial e pesquisa de mecanismos de interação laser-material, um laser de CO2 comutado Q-acústico foi desenvolvido.
Usando as equações de taxa dos lasers de pulso Q-switched, os principais parâmetros técnicos da saída do laser foram analisados teoricamente, calculados e depois verificados experimentalmente.
A frequência de repetição do pulso do laser é de 1 Hz a 50 kHz. Na operação de 1 kHz, a largura do pulso do laser de saída é de 180 ns e a potência de pico é de 4.062 W, o que é basicamente consistente com os cálculos teóricos.
Os resultados mostram que uma alta frequência de repetição, largura de pulso estreita e alta potência de pico de um laser de CO2 de pequeno porte podem ser alcançadas pela seleção ideal do cristal acústico-óptico (AO) e pelo design razoável do ressonador.
O ajuste do comprimento de onda e a saída codificada de tais lasers podem ser alcançados através do design de seleção de linha de grade e controle de sinal TTL.
(3) Laser compacto de CO2 com guia de onda excitado por RF de longa duração.
Para ampliar a aplicação de lasers de CO2 no processamento industrial e uso militar, um laser compacto de guia de onda excitado por RF de longa vida útil foi desenvolvido usando perfis extrudados de liga de alumínio para o corpo do laser, indutância de disco em vez da indutância tradicional de fio enrolado e um processo de vedação totalmente metálico.
Ele pode produzir continuamente ou pulsar em uma frequência de modulação não superior a 20kHz, com potência de saída máxima de 30W, vida útil superior a 1.500 horas e vida útil de armazenamento superior a 1,5 anos.
Os resultados mostram que este laser apresenta estrutura compacta, potência de saída estável, longa vida útil e pode trabalhar nos modos de modulação contínua e de pulso. Ele não só pode processar vários materiais, mas também ser usado em aplicações militares.
(4) Novo laser portátil TEA CO2.
Este é um novo laser portátil de CO2 de pressão atmosférica com excitação transversal. O laser é alimentado por quatro baterias recarregáveis nº 5 e pode operar continuamente por 1 hora a uma taxa de repetição de 1 Hz.
O tamanho da unidade laser completa (incluindo a fonte de alimentação e o sistema de controle) é 200 nm×200 mm × 360 mm e seu peso é inferior a 8 kg. O laser usa pré-ionização corona ultravioleta para descarga estável e uniforme.
Em condições de oscilação livre, a energia de saída do pulso de laser atinge 35 mJ e a largura do pulso de saída é de 70 ns.
(5) Laser de CO2 contínuo de alta potência.
Em resposta ao problema de rachaduras e deformação das pás no revestimento contínuo do laser das pás das turbinas dos motores de helicóptero, um novo esquema de controle de potência foi adotado em um laser de CO2 de fluxo transversal contínuo de 5 kW.
Através de software e controles relacionados, a saída de energia do laser pulsado foi alcançada, superando os problemas de custo e estabilidade causados pelas fontes de alimentação chaveadas de alta potência.
A frequência de modulação de pulso pode atingir 5 Hz e o ciclo de trabalho de modulação pode variar de 5% a 100%.
Em um experimento de revestimento de pó de liga Stellite X-40 na superfície da liga K403 das pás do motor, foi utilizada uma potência de pico de 4 kW, frequência de repetição de pulso de 4 Hz e ciclo de trabalho de 20%.
Os resultados mostraram que a zona afetada pelo calor foi reduzida em 50% após o revestimento, a dureza aumentou em 5%, o desempenho da ligação interfacial foi comparável ao do material de base e não houve rachaduras no revestimento ou deformação da lâmina.
