El láser de dióxido de carbono ( láser de CO 2 ) 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 disponibles actualmente. También son bastante eficientes: la relación entre la potencia de salida y la potencia de la bomba puede llegar al 20%. El láser de CO 2 produce un haz de luz infrarroja con las principales bandas de longitud de onda centradas en 9,6 y 10,6 micrómetros (μm).
El medio láser activo (medio de ganancia/ amplificación del láser ) es una descarga de gas enfriada por aire o agua, dependiendo de la potencia aplicada. El gas de llenado dentro de un tubo de descarga sellado consta de alrededor del 10 al 20% de dióxido de carbono ( CO
2), alrededor del 10-20% de nitrógeno ( N
2), un pequeño porcentaje de hidrógeno ( H
2) y/o xenón (Xe), siendo el resto helio (He). [ cita necesaria ] Se utiliza una mezcla diferente en un láser de flujo continuo , 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 de los electrones excita los modos vibratorios 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 vibratorios excitados son metaestables y relativamente duraderos. norte
2{v1(1)} y CO
2{v3(1)} es casi perfectamente resonante (el diferencial de energía molecular total está dentro de los 3 cm −1 cuando se tiene en cuenta N
2anarmonicidad, distorsión centrífuga e interacción vibro-rotacional, que está más que compensada por la distribución de velocidad de Maxwell de la energía en modo traslacional), N
2se desexcita por colisión transfiriendo su energía en modo vibratorio a la molécula de CO 2 , lo que hace que el dióxido de carbono se excite a su estado cuántico en modo vibratorio {v3(1)} (estiramiento asimétrico). El co
2luego emite radiativamente a 10,6 μm [i] al caer al modo vibratorio {v1(1)} (estiramiento simétrico), o a 9,6 μm [i] al caer al modo vibratorio {v20(2)} (flexión). Luego, las moléculas de dióxido de carbono pasan a su estado fundamental del modo vibratorio {v20(0)} desde {v1(1)} o {v20(2)} mediante 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 del láser. En los láseres de flujo continuo, la descarga de plasma excita una corriente continua de CO 2 y nitrógeno y la mezcla de gases calientes se expulsa del resonador mediante bombas.
La adición de helio también juega un papel en la excitación vibratoria inicial de N
2, debido a una reacción de disociación casi resonante con He metaestable (2 3 S 1 ). La sustitución del helio por otros gases nobles, como el neón o el argón, no mejora la potencia del láser. [2]
Debido a que la energía de excitación de los estados cuánticos del modo rotacional y de vibración molecular es baja, los fotones emitidos debido a la transición entre estos estados cuánticos tienen una energía comparativamente más baja y una longitud de onda más larga que la luz visible y el infrarrojo cercano. La longitud de onda de 9 a 12 μm de los láseres de CO 2 es útil porque se encuentra 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 sintonizar alterando la proporción isotópica de los átomos de carbono y oxígeno que componen el CO.
2moléculas en el tubo de descarga.
Dado que los láseres de CO 2 funcionan en el infrarrojo, se necesitan materiales especiales para su construcción. Normalmente, los espejos son plateados , mientras que las ventanas y las lentes están hechas de seleniuro de germanio o zinc . Para aplicaciones de alta potencia, se prefieren espejos dorados 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 ambientes sucios. Los elementos ópticos de diamante pueden incluso arenarse sin perder sus propiedades ópticas. Históricamente, las lentes y ventanas estaban hechas de sal (ya sea cloruro de sodio o cloruro de potasio ). Si bien el material era económico, las lentes y las 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 CO 2 se puede construir para que tenga potencias de onda continua (CW) entre milivatios (mW) y cientos de kilovatios (kW). [5] También es muy fácil activar la conmutación Q de un láser de CO 2 mediante un espejo giratorio o un interruptor electroóptico, dando lugar a potencias máximas de conmutación Q de hasta gigavatios (GW). [6]
Debido a que las transiciones del láser en realidad se producen 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 del 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 . Girando la rejilla de difracción se puede seleccionar una determinada línea de rotación de la transición vibratoria. 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 "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 provocan una emisión de longitud de onda más larga. [3]
Debido a los altos niveles de potencia disponibles (combinados con el costo razonable del láser), los láseres de CO 2 se usan con frecuencia en aplicaciones industriales para corte y soldadura , mientras que los láseres de menor nivel de potencia se usan para grabar. [8] En la sinterización selectiva por láser , se utilizan láseres de CO 2 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 cutáneo (" estiramiento 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 la hirsutitis papillar genital, mediante la eliminación de protuberancias o pópulas. Los láseres de CO 2 se pueden utilizar 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 CO 2 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 CO 2 se pueden usar 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 CO 2 son los más adecuados para procedimientos de tejidos blandos en especialidades humanas y animales, en comparación con los láseres de otras longitudes de onda . Las ventajas incluyen menos sangrado, menor tiempo de cirugía, menos riesgo de infección y menos hinchazón posoperatoria. Las aplicaciones incluyen ginecología , odontología , cirugía oral y maxilofacial , y muchas otras.
El láser de CO 2 con una longitud de onda de 9,25 a 9,6 μm se utiliza a veces en odontología para la ablación de tejidos duros. El tejido duro se extirpa a temperaturas de hasta 5.000 °C, lo que produce una radiación térmica brillante. [dieciséis]
El plástico común poli (metacrilato de metilo) (PMMA) absorbe 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 CO 2 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 CO 2 también se utilizan para la determinación de distancias militares 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, los láseres de CO 2 se utilizan para generar luz ultravioleta extrema .
El Polyus soviético fue diseñado para utilizar un láser de dióxido de carbono de megavatios como arma en órbita para destruir los satélites SDI .
A efectos prácticos, existen tres métodos de rejuvenecimiento: lijado mecánico (dermoabrasión), quemadura química (peelings químicos) y tratamientos fotodinámicos (ablación con láser o coagulación).