El láser de dióxido de carbono ( láser de CO2 ) fue uno de los primeros láseres de gas que se desarrollaron. 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 que se encuentran disponibles actualmente. También son bastante eficientes: la relación entre la potencia de salida y la potencia de bombeo puede ser tan grande como el 20%. El láser de CO2 produce un haz de luz infrarroja con las bandas de longitud de onda principales centradas en 9,6 y 10,6 micrómetros (μm).
El medio láser activo ( medio de amplificación /ganancia del láser ) es una descarga de gas refrigerada por aire o agua, según la potencia aplicada. El gas de relleno dentro de un tubo de descarga sellado está compuesto por alrededor de un 10-20 % de dióxido de carbono ( CO
2), alrededor de 10–20% de nitrógeno ( N
2), un pequeño porcentaje de hidrógeno ( H
2) y/o xenón (Xe), siendo el resto helio (He). [ cita requerida ] En un láser de flujo continuo se utiliza una mezcla diferente , donde CO
2Se 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 del electrón 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, por lo tanto, sus modos vibracionales excitados son metaestables y relativamente duraderos.
2{v1(1)} y CO
2{v3(1)} es casi perfectamente resonante (el diferencial de energía molecular total está dentro de 3 cm −1 cuando se tiene en cuenta N
2anarmonicidad, distorsión centrífuga e interacción vibro-rotacional, que se compensa con creces con la distribución de la velocidad de Maxwell de la energía del modo traslacional), N
2se desexcita por colisión transfiriendo su energía de modo vibracional a la molécula de CO 2 , lo que hace que el dióxido de carbono se excite a su estado cuántico de modo vibracional {v3(1)} (estiramiento asimétrico). El CO
2Luego emite radiativamente a 10,6 μm [i] al caer al modo vibracional {v1(1)} (estiramiento simétrico), o 9,6 μm [i] al caer al modo vibracional {v20(2)} (flexión). Las moléculas de dióxido de carbono luego pasan 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 tiene lugar cuando los átomos de helio golpean las paredes del tubo de descarga láser. En los láseres de flujo continuo, una corriente continua de CO2 y nitrógeno es excitada por la descarga de plasma y la mezcla de gas caliente se agota del resonador mediante bombas.
La adición de helio también juega un papel en la excitación vibracional inicial de N
2, debido a una reacción de disociación casi resonante con He(2 3 S 1 ) metaestable. La sustitución del helio por otros gases nobles, como el neón o el argón, no conduce a una mejora de la salida del láser. [2]
Debido a que la energía de excitación de los estados cuánticos de los modos rotacional y vibracional molecular es baja, los fotones emitidos debido a la transición entre estos estados cuánticos tienen una energía comparativamente menor y una longitud de onda más larga que la luz visible y cercana al infrarrojo. La longitud de onda de 9 a 12 μm de los láseres de CO 2 es útil porque cae en 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 modificando la relación isotópica de los átomos de carbono y oxígeno que componen el CO
2moléculas en el tubo de descarga.
Debido a que los láseres de CO2 operan en el infrarrojo, se necesitan materiales especiales para su construcción. Por lo general, los espejos están plateados , mientras que las ventanas y lentes están hechas de germanio o seleniuro de zinc . Para aplicaciones de alta potencia, se prefieren espejos de oro y 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 pulirse con chorro de arena sin perder sus propiedades ópticas. Históricamente, las lentes y ventanas se hacían de sal (ya sea 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 CO 2 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 se puede construir para tener potencias de onda continua (CW) entre milivatios (mW) y cientos de kilovatios (kW). [5] También es muy fácil conmutar activamente un láser de CO2 mediante un espejo giratorio o un interruptor electroóptico, lo que da lugar a potencias pico conmutadas por Q de hasta gigavatios (GW). [6]
Debido a que las transiciones láser están en realidad 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 rejilla de difracción . Al rotar la rejilla 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 alrededor de 1 cm −1 (30 GHz) que se extienden desde 880 a 1090 cm −1 . Estos láseres de dióxido de carbono "ajustables en línea" [7] son principalmente de interés 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; los isótopos más pesados causan una emisión de longitud de onda más larga. [3]
Debido a los altos niveles de potencia disponibles (combinados con un costo razonable del láser), los láseres de CO2 se utilizan con frecuencia en aplicaciones industriales para cortar y soldar , mientras que los láseres de menor nivel de 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.
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 (" estiramiento facial con láser ", que consiste esencialmente en vaporizar la piel para promover la formación de colágeno). [9] Los láseres de CO2 se pueden utilizar para tratar ciertas afecciones de la piel, como la hirsuties papillaris genitalis, eliminando protuberancias o podules. Los láseres de CO2 se pueden utilizar para eliminar lesiones de las cuerdas vocales, [10] como los quistes de las cuerdas vocales . Los investigadores en Israel están experimentando con el uso de láseres de CO2 para soldar tejido humano, como una alternativa a las suturas tradicionales . [11]
El láser de CO2 de 10,6 μm sigue siendo el mejor láser quirúrgico para el tejido blando, donde tanto el corte como la hemostasia se logran fototérmicamente (radiantemente). [12] [13] [14] [15] Los láseres de CO2 se pueden utilizar en lugar de un bisturí para la mayoría de los procedimientos e incluso se utilizan 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 el láser con otras longitudes de onda . Las ventajas incluyen menos sangrado, tiempo de cirugía más corto, menos riesgo de infección y menos hinchazón posoperatoria. Las aplicaciones incluyen ginecología , odontología , cirugía oral y maxilofacial y muchas otras.
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 extirpa a temperaturas de hasta 5000 °C, lo que produce una radiación térmica brillante. [16]
El plástico común poli(metacrilato de metilo) (PMMA) absorbe la luz IR 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. [17]
Debido a que la atmósfera es bastante transparente a la luz infrarroja, los láseres de CO2 también se utilizan para la determinación de distancia militar mediante técnicas LIDAR .
Los láseres de CO 2 se utilizan en espectroscopia [18] y en el proceso Silex para enriquecer uranio.
En la fabricación de semiconductores, se utilizan láseres de CO2 para la generación de luz ultravioleta extrema .
El Polyus soviético fue diseñado para utilizar un láser de dióxido de carbono de un megavatio como arma en órbita para destruir satélites SDI .
A efectos prácticos, existen tres métodos de rejuvenecimiento: lijado mecánico (dermoabrasión), quemadura química (peelings químicos) y tratamientos fotodinámicos (ablación láser o coagulación).