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ⓘ Laser ad anidride carbonica




Laser ad anidride carbonica
                                     

ⓘ Laser ad anidride carbonica

Il laser ad anidride carbonica è stato uno dei primi modelli di laser a gas ad essere inventato, da Kumar Patel dei Laboratori Bell nel 1964, ed è oggi uno dei più usati in assoluto in campo medico e industriale.

I laser CO 2 sono i più potenti laser ad onda continua disponibili attualmente, e sono anche fra i più efficienti: il rapporto fra potenza di pompaggio e potenza emessa dal laser può arrivare al 20%. Questo tipo di laser emette un fascio di luce infrarossa la cui lunghezza donda principale è centrata fra i 9.4 e i 10.6 micrometri.

                                     

1. Amplificazione

Il mezzo laser attivo generatore laser/mezzo di amplificazione è un tubo a scarica di gas raffreddato ad aria o ad acqua nelle applicazioni ad alta potenza. Il gas allinterno del tubo laser è costituito da:

  • Elio He il resto della miscela gassosa
  • Idrogeno H 2 e/o Xe 1-2%
  • Anidride carbonica CO 2 circa 10-20%
  • Azoto N 2 circa 10-20%

Le proporzioni precise variano a seconda del tipo di laser e dellimpiego a cui è destinato.

La necessaria inversione di popolazione nel mezzo laser è ottenuta facendo passare una scarica elettrica nella miscela gassosa, che innesca la seguente catena di eventi:

  • La molecola di CO 2 eccitata ritorna allo stato fondamentale emettendo un fotone e contribuendo prima allinstaurazione e poi allemissione del fascio laser.
  • Gli impatti degli elettroni eccitano i modi vibrazionali della molecola di azoto. Poiché questa è una molecola omonucleare, non può liberarsi dellenergia acquisita emettendo un fotone e il suo stato eccitato è perciò metastabile, cioè permane per un tempo molto lungo.
  • Le collisioni fra molecole del gas trasferiscono lenergia dalle molecole eccitate di azoto a quelle di CO 2, con efficienza sufficiente a generare la desiderata inversione di popolazione.
                                     

2. Costruzione

Poiché i laser CO 2 funzionano nellinfrarosso ad una lunghezza donda a cui il vetro non è più trasparente, sono necessari materiali speciali per la loro costruzione. Generalmente gli specchi sono fatti di silicio rivestito o di molibdeno, mentre le lenti le finestre di uscita sono di germanio; per applicazioni ad alta potenza si usano specchi doro e finestre e lenti di seleniuro di zinco. Storicamente si sono usate anche finestre e lenti di sale, sia il normale cloruro di sodio che il cloruro di potassio, ma anche se molto economiche queste lenti si deterioravano con lumidità atmosferica.

La forma più semplice di laser CO 2 consiste di un tubo a scarica di gas riempito con una miscela simile a quella descritta sopra con uno specchio totalmente riflettente a una estremità e un accoppiatore di uscita di solito uno specchio semiriflettente di seleniuro di zinco rivestito allestremità di uscita. La riflettività dello specchio accoppiatore di uscita è di solito del 5-15%. Luscita del laser, per applicazioni ad alta potenza, può avere un accoppiamento particolare edge-coupled per ridurre i problemi di riscaldamento delle ottiche.

Il laser CO 2 può essere progettato per potenze che vanno da pochi milliwatt a diverse centinaia di kilowatt kW. È anche molto facile introdurre in questi laser un dispositivo Q-switch, per mezzo di uno specchio rotante o di un commutatore elettro-ottico, rendendoli capaci di generare singoli impulsi di potenza fino a un gigawatt GW.

Visto che la transizione di stato che dà origine alleffetto laser in questi dispositivi riguarda le bande di vibrazione-traslazione di una molecola triatomica lineare, la struttura rotazionale delle bande P e R può essere selezionata da un elemento sintonizzatore nella cavità del risuonatore laser: questo elemento è di solito un reticolo di diffrazione, perché nella banda infrarossa dei laser CO 2 i materiali trasparenti hanno in genere perdite piuttosto alte. Ruotando il reticolo si può selezionare una particolare linea rotazionale della transizione vibrazionale. La più fine selezione di frequenza si può ottenere usando un etalon. Quindi, grazie anche alla sostituzione isotopica, si possono selezionare frequenze a piacere in una gamma da 880 a 1090 cm −1 in un "pettine" con intervalli di 1 cm −1 30 GHz. Tali laser ad anidride carbonica "a sintonia fine" sono però soprattutto di interesse teorico e di ricerca.

                                     

2.1. Costruzione Risuonatori Slab

Una innovazione importante nei laser CO 2 è stata la recente introduzione di sorgenti slab, costituite non da tubi di vetro ma da una cavità ricavata sigillando due piani metallici vicini e paralleli, che fungono da armature di un condensatore: in queste sorgenti la miscela gassosa viene eccitata non da una scarica elettrica ma da una tensione oscillante ad alta frequenza fatta passare attraverso il condensatore così formato. Queste sorgenti hanno il considerevole vantaggio di non richiedere lo svuotamento della cavità risonante e successivo riempimento di gas ad ogni spegnimento del laser, abbattendo di molto il costo di esercizio degli impianti che equipaggiano: il loro svantaggio maggiore, per contro, è la minore qualità del fascio laser prodotto, in termini di focalizzabilità, collimazione e purezza spettrale.

                                     

3. Applicazioni

Vista lalta potenza ottenibile e il costo ragionevole del laser, i laser CO 2 sono ampiamente usati in lavorazioni industriali per taglio e saldatura. Sono anche molto utili in chirurgia, perché lacqua, costituente principale dei tessuti, assorbe molto bene la frequenza emessa, e quindi si prestano anche per chirurgia laser, lifting, peeling facciali che sostanzialmente consistono nel bruciare lo strato più esterno dellepidermide, per promuovere la formazione di collagene, e dermoabrasione.

Poiché latmosfera terrestre è quasi completamente trasparente agli infrarossi, i laser a CO 2 sono usati anche per telemetria, usando tecniche LIDAR.

                                     
  • fissa anidride carbonica aveva osservato che bruciando una sostanza carboniosa in un recipiente chiuso e assorbendo l anidride carbonica che si sviluppa
  • contatto con l acido carbonico che si forma nell acqua a causa della reazione chimica tra l acqua stessa e l anidride carbonica contenuta nell aria o
  • combustibile generano corrente elettrica, calore, acqua ed eventualmente anidride carbonica di particolare interesse questo quando la produzione o l accumulo
  • contiene anche vapore acqueo 60 circa e altri gas come anidride carbonica 10 - 30 circa o anidride solforosa, che è senz altro uno dei più importanti. Polveri
  • scambio di nutrienti e gas. Dopo aver raccolto i rifiuti cellulari e l anidride carbonica il sangue viene convogliato attraverso vasi che convergono a formare
  • all abrasivo stesso al contrario i gas inerti quali argo, azoto e anidride carbonica ostacolano l abrasione. In generale i composti solforati e clorurati
  • 100 nanometri o più piccoli che possono separare le molecole di anidride carbonica dall aria o da altri gas. La separazione della membrana è tra le tecnologie
  • primo campione hanno indicato la presenza di molecole di acqua e anidride carbonica che sono state rilasciate dai minerali contenuti nel campione di terreno
  • una forma di energia pulita dal punto di vista delle emissioni di anidride carbonica CO2 in atmosfera, presenta diversi altri problemi ambientali e di

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