هل تساءلت يومًا كيف أحدث الليزر ثورة في كل شيء من الجراحة إلى قطع المعادن؟ تغوص هذه المقالة في عالم ليزر ثاني أكسيد الكربون الرائع وتشرح مبادئه وبنيته وتطبيقاته المتنوعة. من خلال القراءة، ستكتشف كيف تعمل هذه الأدوات القوية وتأثيرها على مختلف الصناعات. استعد لاستكشاف روائع تكنولوجيا ليزر ثاني أكسيد الكربون!
في عام 1964، حصل باتل على إخراج ليزر مستمر بأطوال موجية قريبة من 10.4 ميكرون و9.4 ميكرون في تفريغ غاز ثاني أكسيد الكربون في عام 1964، مما أدى إلى ولادة أول ليزر جزيئي ثاني أكسيد الكربون في العالم.
لديها طاقة كبيرة وكفاءة تحويل طاقة عالية.
ويستفيد من الانتقال بين مستويات الطاقة الاهتزازية الدورانية لجزيئات ثاني أكسيد الكربون مما ينتج عنه طيف غني. هناك العشرات من الخطوط الطيفية لإخراج الليزر بالقرب من 10 ميكرون. وقد جلبت تطبيقاته الواسعة في الصناعة والجيش والطب والبحث العلمي العديد من وسائل الراحة لحياتنا.
في عام 1966، وُلد ليزر ثاني أكسيد الكربون الهوائي الديناميكي الهوائي، مما لفت الانتباه إلى تكنولوجيا ليزر ثاني أكسيد الكربون. وقد أدى إدخال الديناميكا الهوائية في تكنولوجيا الليزر إلى فتح آفاق واسعة لاستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون.
مع تقدم العلم والتكنولوجيا، تطورت تكنولوجيا الليزر في جميع أنحاء العالم أيضًا وفقًا لذلك. ويُعد ليزر ثاني أكسيد الكربون حاليًا أحد أجهزة الليزر ذات الطاقة الإنتاجية العالية المستمرة. وقد تم استخدام تطويره في وقت مبكر ومنتجاته التجارية الناضجة على نطاق واسع في مجالات مثل معالجة المواد والاستخدام الطبي والأسلحة العسكرية والقياس البيئي.
وفي مجال تطوير وتطبيق الليزر، جاء استحداث وتطبيق ليزر ثاني أكسيد الكربون في وقت مبكر وأكثر تواتراً. وفي أواخر السبعينات، استُورد ليزر ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الخارج لأغراض المعالجة الصناعية والتطبيقات الطبية.
منذ أواخر الثمانينيات، تم إدخال ليزر ثاني أكسيد الكربون وتطبيقه على نطاق واسع في مجال معالجة المواد.
تقدم هذه المقالة بشكل أساسي المبادئ الأساسية لليزر ثاني أكسيد الكربون وهيكله، وتركز على تطبيق ليزر ثاني أكسيد الكربون من ثلاثة جوانب. وأخيراً، تعرض حالة البحث الحالية والآفاق المستقبلية لليزر ثاني أكسيد الكربون.
يتطلب إنتاج الليزر ثلاثة شروط:
(1) وسيط اكتساب يوفر التضخيم كمادة عاملة بالليزر، وجسيماته المنشطة (ذرات أو جزيئات أو أيونات) لها بنية مستوى طاقة مناسبة للانبعاث المحفز;
(2) مصدر استثارة خارجي يضخ الجسيمات من مستويات طاقة أقل إلى مستويات طاقة أعلى، مما يتسبب في انعكاس عدد الجسيمات بين مستويات الطاقة العليا والسفلى لليزر;
(3) مرنان ضوئي يعمل على تمديد طول عمل الوسط المنشط، ويتحكم في اتجاه شعاع الضوء، ويختار تردد ضوء الانبعاث المحفز لتحسين أحادية اللون.
بالمقارنة مع مصادر الضوء العادية، تتميز أشعة الليزر بأربع ميزات رئيسية: الاتجاهية الممتازة، والسطوع العالي للغاية، وأحادية اللون الجيدة، والتماسك العالي.
جهاز الليزر هو آلية قادرة على انبعاث أشعة الليزر. وقد صُنع أول مضخم كمي يعمل بالموجات الدقيقة في عام 1954، حيث أنتج أول مضخم كمي يعمل بالموجات الدقيقة متماسكاً للغاية.
في عام 1958، وسّع أ.ل. شاولو وسي هـ. تاونز مبادئ المضخمات الكمية للموجات الدقيقة إلى نطاق الترددات الضوئية وحددا طرق توليد الليزر.
في عام 1960، صنع ت. ه. ميمان وفريقه أول ليزر من الياقوت. وفي عام 1961، أنتج أ. جافان وآخرون ليزر الهيليوم-النيون وفي عام 1962، أنتج ر. ن. هول وفريقه ليزر أشباه موصلات من زرنيخيد الغاليوم. ومنذ ذلك الحين، تتوسع أنواع الليزر باستمرار.
وبصرف النظر عن أشعة الليزر ذات الإلكترونات الحرة، فإن مبادئ العمل الأساسية لمختلف أنواع الليزر متطابقة.
إن الشروط الأساسية لإنتاج الليزر هي انعكاس عدد الجسيمات وتجاوز الكسب للفاقد، لذا فإن المكونات التي لا غنى عنها في النظام تشمل مصدر الإثارة (أو المضخة) ووسيط عمل بمستويات طاقة قابلة للاستقرار.
الإثارة هي حالة الإثارة بعد أن يمتص الوسط العامل الطاقة الخارجية، مما يخلق ظروفًا لتحقيق انعكاس عدد الجسيمات والحفاظ عليه. وتشمل طرق الإثارة الإثارة الضوئية والإثارة الكهربائية والإثارة الكيميائية وإثارة الطاقة النووية.
ويسمح وسيط العمل الذي يحتوي على مستوى طاقة قابل للاستقرار بهيمنة الإشعاع المحفَّز، وبالتالي تحقيق تضخيم الضوء. وتشمل المكونات الشائعة في جهاز الليزر أيضاً تجويفاً رناناً.
ومع ذلك، فإن التجويف الرنيني (انظر التجويف الرنيني البصري) ليس مكونًا أساسيًا. يمكن للتجويف الرنيني أن يحاذي تردد الفوتونات وطورها واتجاهها داخل التجويف، مما يوفر لليزر اتجاهاً وتماسكاً ممتازين.
علاوة على ذلك، يمكنها تقصير طول المادة العاملة بشكل فعال وضبط وضع الليزر الناتج عن طريق تغيير طول التجويف الرنيني. لذلك، تحتوي معظم أجهزة الليزر على تجويف رنيني.
هناك العديد من أنواع الليزر. فيما يلي، سنقوم بتصنيفها وتقديمها بناءً على مادة عمل الليزر وطريقة الإثارة ووضع التشغيل.
(1) حسب مادة العمل
يمكن تصنيف أجهزة الليزر إلى عدة فئات بناءً على حالة المادة العاملة:
① الليزر الصلب (البلوري والزجاجي);
② ليزر الغاز، وينقسم كذلك إلى ليزر الغاز الذري وليزر الغاز الأيوني وليزر الغاز الجزيئي وليزر الغاز شبه الجزيئي;
③ أشعة الليزر السائلة، وتشمل المواد العاملة منها في المقام الأول نوعين: محاليل الصبغة الفلورية العضوية ومحاليل المركبات غير العضوية التي تحتوي على أيونات فلزات أرضية نادرة;
④ ليزر أشباه الموصلات;
⑤ ليزر الإلكترونات الحرة.
(2) بطريقة الإثارة
① الليزر المضخ بصريًا;
② الليزر المثار كهربائيًا;
③ الليزر الكيميائي;
④ أشعة الليزر التي يتم ضخها نوويًا.
(3) حسب وضع التشغيل
نظرًا لاختلاف مواد العمل وطرق الإثارة وأغراض تطبيق الليزر، تختلف أيضًا أوضاع تشغيلها وحالات عملها. ويمكن تقسيمها إلى عدة أنواع رئيسية:
① الليزر المستمر;
② ليزر أحادي النبضة;
③ ليزر النبض المتكرر;
④ الليزر المعدل;
⑤ أشعة الليزر ذات الوضع المغلق;
⑥ ليزر أحادي الوضع ومستقر التردد;
⑦ ليزر قابل للضبط.
كما هو موضح في الشكل 1، يتم تمثيل هيكل ليزر CO2 نموذجي. يتم وضع المرآتين اللتين تشكلان التجويف الرنيني لليزر CO2 على رف تجويف قابل للتعديل. وأبسط طريقة هي تثبيت المرايا مباشرة على طرفي أنبوب التفريغ.
الهيكل الأساسي:
① أنبوب الليزر
هذا هو الجزء الأكثر أهمية في الليزر. ويتكون عادةً من ثلاثة أجزاء (كما هو موضح في الشكل 1): مساحة التفريغ (أنبوب التفريغ)، وسترة (أنبوب) تبريد الماء، وخزان الغاز.
عادةً ما يكون أنبوب التفريغ مصنوعًا من الزجاج الصلب وغالبًا ما يستخدم هيكل أسطواني متتالي. وهو يؤثر على خرج الليزر وقوة خرج الليزر. ويتناسب طول أنبوب التفريغ مع طاقة الخرج.
ضمن نطاق طول معين، يزداد خرج الطاقة لكل متر من أنبوب التفريغ مع الطول الكلي.
بشكل عام، ليس لسمك أنبوب التفريغ أي تأثير على طاقة الخرج. أنبوب غلاف تبريد الماء، مثل أنبوب التفريغ، مصنوع من الزجاج الصلب.
وتتمثل وظيفته في تبريد غاز العمل، مما يؤدي إلى استقرار طاقة الخرج. يتم توصيل أنبوب تخزين الغاز بكلا طرفي أنبوب التفريغ، مما يعني أن أحد طرفي أنبوب تخزين الغاز به فتحة صغيرة متصلة بأنبوب التفريغ، والطرف الآخر متصل بأنبوب التفريغ من خلال أنبوب غاز مرتجع حلزوني.
وتتمثل وظيفتها في السماح للغاز بالدوران داخل أنبوب التفريغ، مما يسهل التبادل المستمر للغاز.
② المرنان البصري
يتكون المرنان الضوئي من مرآة انعكاس كلي ومرآة انعكاس جزئي، ويشكلان جزءًا مهمًا من ليزر CO2.
يحتوي المرنان الضوئي عادةً على ثلاث وظائف: التحكم في اتجاه انتشار الحزمة الضوئية، وتعزيز أحادية اللون، واختيار الوضع، وتمديد طول عمل الوسط النشط.
ويتألف المرنان البصري لليزر الأبسط والأكثر استخداماً من مرآتين مسطحتين (أو مرآتين كرويتين) موضوعتين مقابل بعضهما البعض. وغالبًا ما يستخدم مرنان ليزر ثاني أكسيد الكربون تجويفًا مسطحًا مقعرًا، مع مرآة انعكاس مصنوعة من الزجاج البصري K8 أو الكوارتز البصري، ومعالجتها في مرآة مقعرة ذات نصف قطر انحناء كبير.
يتم ترسيب طبقة معدنية عاكسة للغاية - طبقة من الذهب - على سطح المرآة، مما يحقق معدل انعكاس يبلغ 98.8% للضوء بطول موجي يبلغ 10.6 ميكرومتر، وله خصائص كيميائية مستقرة.
نحن نعلم أن الضوء المنبعث من ثاني أكسيد الكربون هو الأشعة تحت الحمراء، لذلك يجب أن تكون المرآة قادرة على نقل ضوء الأشعة تحت الحمراء. نظرًا لأن الزجاج البصري الشائع معتم على ضوء الأشعة تحت الحمراء، يلزم وجود ثقب صغير في مركز مرآة الانعكاس الكلي، ثم يتم إغلاقه بمادة يمكنها نقل ضوء الأشعة تحت الحمراء بمقدار 10.6 ميكرومتر.
يؤدي ذلك إلى إحكام إغلاق الغاز ويسمح لجزء من الليزر الموجود في المرنان بالخروج من التجويف من هذا الثقب الصغير، مما يشكل شعاع ليزر.
③ مصدر الطاقة والمضخة
يوفر مصدر المضخة الطاقة لإحداث انعكاس تعداد بين مستويات الطاقة العليا والسفلى في المادة العاملة. ويكون تيار التفريغ في ليزر ثاني أكسيد الكربون المختوم صغيراً باستخدام كاثود بارد، ويصنع الكاثود على شكل أسطواني من الموليبدينوم أو النيكل.
مع تيار عمل يتراوح بين 30 و40 مللي أمبير ومساحة أسطوانة الكاثود 500 سم2، لن تتلوث المرآة. يُضاف حاجز ضوئي بين الكاثود والمرآة.
كما هو موضح في الشكل 2، يوضح الرسم البياني مستويات الطاقة الجزيئية المسؤولة عن توليد الليزر في ليزر CO2.
تتضمن عملية إثارة ليزر ثاني أكسيد الكربون، كما يتضح من الشكل 2، ثلاثة غازات بشكل أساسي: CO2 والنيتروجين والهيليوم. CO2 هو الغاز الذي ينتج إشعاع الليزربينما يعمل النيتروجين والهيليوم كغازين مساعدين.
يخدم الهيليوم غرضين: فهو يسرع عملية الاسترخاء الحراري للمستوى 010، مما يساعد في الاستخلاص من المستويين 100 و020 ويسهل نقل الحرارة الفعال.
يعمل إدخال النيتروجين في المقام الأول على تسهيل نقل الطاقة في ليزر ثاني أكسيد الكربون، مما يساهم بشكل كبير في تراكم الجسيمات في مستويات الطاقة العليا لليزر ثاني أكسيد الكربون وإخراج ليزر عالي الطاقة وعالي الكفاءة.
تستخدم المضخة إثارة طاقة تيار مستمر للتيار المستمر. ينطوي مبدأ طاقة التيار المستمر على تحويل جهد التيار المتردد المتصل باستخدام محول، ثم تصحيح الجهد العالي وترشيحه لتطبيقه على أنبوب الليزر.
ليزر ثاني أكسيد الكربون هو ليزر عالي الكفاءة يقلل من الأضرار التي تلحق بوسط العمل. ويصدر ليزر غير مرئي بطول موجي يبلغ 10.6 ميكرومتر، مما يجعله ليزرًا مثاليًا.
وفقًا لظروف عمل الغاز، يمكن تقسيمه إلى أنواع مغلقة ودائرية. واستنادًا إلى طريقة الإثارة، يمكن تقسيمها إلى الإثارة الكهربائية، والإثارة الكيميائية، والإثارة الحرارية، والإثارة الضوئية، والإثارة النووية. جميع أجهزة ليزر ثاني أكسيد الكربون المستخدمة في الطب تقريبًا متحمسة كهربائيًا.
يشبه مبدأ التشغيل الأساسي لليزر CO2 ليزر ثاني أكسيد الكربون أشعة الليزر الجزيئية الأخرى، مع كون عملية الانبعاث المحفزة معقدة إلى حد ما.
وللجزيء ثلاث حركات مختلفة: حركة الإلكترونات داخل الجزيء، والتي تحدد حالة الطاقة الإلكترونية للجزيء؛ واهتزازات الذرات داخل الجزيء، أي تذبذب الذرات بشكل دوري حول مواضع اتزانها، والتي تحدد حالة الطاقة الاهتزازية للجزيء؛ ودوران الجزيء، أي الدوران المستمر للجزيء في الفضاء ككل، والذي يحدد حالة الطاقة الدورانية للجزيء.
الحركات الجزيئية معقدة للغاية، ومن هنا يأتي تعقيد مستويات الطاقة.
توليد الليزر في ليزر CO2: في أنبوب التفريغ، عادةً ما يتم إدخال تيار تيار مستمر من عدة عشرات إلى مئات المللي أمبير.
أثناء التفريغ، تُستثار جزيئات النيتروجين في الغاز المختلط داخل أنبوب التفريغ بسبب تصادم الإلكترونات. ثم تتصادم جزيئات النيتروجين المثارة مع جزيئات CO2.
ينقل جزيء N2 طاقته إلى جزيء CO2، مما يتسبب في انتقال جزيء CO2 من مستوى طاقة أقل إلى مستوى طاقة أعلى، مما يؤدي إلى انعكاس في التعداد، وبالتالي توليد الليزر.
مقارنةً بأجهزة الليزر الأخرى، يتميز ليزر ثاني أكسيد الكربون بالمزايا والعيوب التالية:
المزايا:
فهي تُظهر اتجاهية فائقة وأحادية اللون واستقرار التردد. ونظرًا لانخفاض كثافة الغاز، فمن الصعب تحقيق كثافة عالية من الجسيمات المثارة، لذا فإن ناتج كثافة الطاقة لـ CO2 الليزر الغازي أقل عمومًا من ليزر الحالة الصلبة.
العيوب:
في حين أن كفاءة تحويل الطاقة في ليزر ثاني أكسيد الكربون عالية جدًا، فإنها لن تتجاوز 40%. وهذا يعني أن أكثر من 60% من الطاقة يتم تحويلها إلى طاقة حرارية للغاز، مما يؤدي إلى زيادة في درجة الحرارة. يمكن أن يتسبب ارتفاع درجة حرارة الغاز في إزالة الطاقة من المستوى الليزري العلوي والإثارة الحرارية للمستوى السفلي، وكلاهما يقلل من عدد انعكاسات الجسيمات.
علاوة على ذلك، يمكن أن تتسبب الزيادة في درجة حرارة الغاز في توسيع الخط الطيفي، مما يؤدي إلى انخفاض معامل الكسب.
وعلى وجه الخصوص، قد يتسبب ارتفاع درجة حرارة الغاز أيضًا في تحلل جزيئات ثاني أكسيد الكربون، مما يقلل من تركيز جزيئات ثاني أكسيد الكربون في أنبوب التفريغ. هذه العوامل يمكن أن تقلل من طاقة خرج الليزر، بل وتؤدي إلى "التبريد الحراري".
وعلى مدى السنوات الأخيرة، كان التطور المطرد لليزر ثاني أكسيد الكربون ملحوظاً في التطبيقات العسكرية. وقد أصبحت أسلحة الليزر، كمفهوم جديد، مفضلة في أسلحة القرن الجديد بسبب مزاياها مقارنة بالأسلحة التقليدية التقليدية، مثل السرعة العالية والاتجاهية الجيدة وكثافة الطاقة العالية والكفاءة التشغيلية العالية.
تلعب أسلحة الليزر عالية الطاقة دورًا متزايد الأهمية في التطبيقات العسكرية، وتمثل اتجاه تطوير الأسلحة في المستقبل. وهي مهيأة لإحداث تغيير عميق في بيئة ساحة المعركة الحالية وأنماط الحرب الحالية، مما سيغير بعمق طبيعة الصراعات المستقبلية.
تم تصميم أجهزة ليزر ثاني أكسيد الكربون الهوائية عالية الطاقة ذات الطاقة الإنتاجية العالية من قبل دول مختلفة لتطوير أسلحة الليزر عالية الطاقة.
السمة الأساسية للدفاع الصاروخي بالليزر، أو تكتيكات الليزر المضادة للصواريخ، هي استخدام أشعة الليزر عالية الطاقة التي تنتقل بسرعة الضوء لتدمير الصواريخ أو الأجسام الطائرة الأخرى التي تتحرك بسرعة الصوت.
يمكننا أن نقول بثقة أن ليزر ثاني أكسيد الكربون يهيمن على هذا المجال بسبب مزاياه الكبيرة.
ويعتمد الجيش حالياً على أنظمة ليزر صغيرة مضادة للصواريخ من البر، بينما تستخدم القوات الجوية أنظمة ليزر محمولة جواً مضادة للصواريخ، وتستخدم القوات البحرية أنظمة ليزر مضادة للصواريخ محمولة على متن السفن، وكلها تستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي الطاقة.
وتتمثل الخصائص الأساسية لأسلحة ليزر ثاني أكسيد الكربون المستقبلية في الطاقة الفائقة والقابلية العالية للنقل. وسوف تكون أشعة الليزر عالية الطاقة عنصراً حاسماً في الأنظمة القتالية المستقبلية، حيث ستسهم في المراقبة المضادة والحماية النشطة والدفاع الجوي وإزالة الألغام.
إن قابلية النقل العالية ستعزز بشكل كبير القدرات القتالية للجنود الأفراد، مما يزيد من دور كل جندي إلى أقصى حد، على الرغم من أن هذه الفكرة نظرية في الوقت الحالي. ويجري تطوير أسلحة الليزر في مختلف البلدان في هذا الاتجاه.
من المتوقع أن تتطور أسلحة ليزر ثاني أكسيد الكربون المستقبلية نحو الأداء الوظيفي العالي، وقابلية النقل، والكفاءة الفتاكة. وكما هو مبين في الشكل 3:
على مدى السنوات العشرين الماضية، تطورت تكنولوجيا الليزر بسرعة في المجال الطبي، مما أدى إلى علاج العديد من الأمراض والاضطرابات الخلقية بشكل فعال.
تُستخدم أشعة ليزر ثاني أكسيد الكربون ذات الشعاع الحر في العمليات الجراحية، وغالباً ما يتم ذلك بطريقة غير ملامسة لأنسجة الجلد، مما يوفر مزايا مختلفة عن العمليات الجراحية التقليدية، مثل تقليل الضرر الميكانيكي وزيادة حماية الأنسجة المحيطة والحفاظ على ظروف التعقيم بسهولة أكبر.
بالمقارنة مع جراحات الليزر الأخرى، يتميز مشرط ليزر ثاني أكسيد الكربون بقوة قطع أقوى ومعامل امتصاص أعلى للأنسجة وتركيز أصغر لاختراق الأنسجة (حوالي 0.23 ملم). وهذا يجعله أقل عرضة لإتلاف الشرايين أثناء الجراحة، مما يؤدي إلى انتشار استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون المستمر على نطاق واسع في العلاج الجراحي السريري.
ومع ذلك، فإن الضرر الذي يلحقه ليزر ثاني أكسيد الكربون المستمر بالأنسجة في التطبيقات السريرية غير انتقائي، وغالباً ما يؤدي إلى آثار جانبية مثل الندبات الجلدية بعد الجراحة. كما يمكن أن يؤدي قطع أو تبخير الآفات إلى إلحاق الضرر بالأنسجة الطبيعية بدرجات متفاوتة، مما يجعله غير مناسب للعمليات الجراحية ذات المتطلبات العالية. وهذا يحد بشكل كبير من الاستخدام الإضافي لليزر ثاني أكسيد الكربون في الطب.
في عام 1983، اقترح أدرسون وباريش مبدأ "التحلل الضوئي الانتقائي" للعلاج بالليزر غير الضار.
والفكرة الأساسية هي أنه عندما يمر الليزر عبر الأنسجة الطبيعية للوصول إلى الآفة المستهدفة، يجب أن يكون معامل امتصاص الآفة لليزر أعلى من معامل امتصاص الأنسجة الطبيعية - كلما زاد الفرق، كان ذلك أفضل - لتجنب إتلاف الأنسجة الطبيعية عند تدمير الآفة المستهدفة.
يجب أن يكون وقت الاسترخاء الحراري للنسيج المستهدف أطول من عرض النبضة أو وقت عمل الليزر، مما يمنع الحرارة من الانتشار إلى الأنسجة الطبيعية المحيطة أثناء عملية التسخين بالليزر.
استنادًا إلى مبدأ "التحلل الضوئي الانتقائي"، ظهرت الأجهزة الطبية ذات النبضات العالية الطاقة المتمثلة في آلات العلاج بالليزر CO2 فائقة النبض في التسعينيات.
وقد تم تطبيق هذه الأجهزة بنجاح، مما سمح بإحراز تقدم كبير في التطبيقات ذات المتطلبات العالية، خاصة في مجال مستحضرات التجميل بالليزر. إن آفاق التطوير واسعة للغاية.
تستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون فائق النبض تقنية النبضات المتقدمة وتقنية التحكم في طاقة PWM. ولا يقتصر الأمر على زيادة ذروة خرج الطاقة القصوى لليزر بسرعة، مما يوفر طاقة كافية للأنسجة المستهدفة فحسب، بل يتحكم أيضًا في عرض وتكرار كل نبضة بدقة من خلال إشارات PWM.
من خلال حساب زمن الاسترخاء الحراري للنسيج المستهدف، يمكن أن يؤدي التحكم في عرض النبضة إلى تحقيق أفضل النتائج الجراحية. على سبيل المثال، يبلغ زمن الاسترخاء الحراري للشعيرات الدموية حوالي 10 ميكروثانية، مما يتطلب عرض نبضة أصغر من 10 ميكروثانية؛ ويبلغ زمن الاسترخاء الحراري لأنسجة الجلد حوالي 1 مللي ثانية، مما يستلزم عرض نبضة أصغر من 1 مللي ثانية لجهاز الليزر المستخدم في إعادة تسطيح الجلد وإزالة التجاعيد.
يكمن الاختلاف الأكثر أهمية بين أجهزة الليزر الحديثة وتلك التي كانت موجودة منذ أكثر من عقد من الزمان في التحكم الدقيق في عرض النبضة، وهو ما يضمن بشكل أساسي سلامة العلاج بالليزر الحديث.
لا تشترك آلات العلاج بليزر ثاني أكسيد الكربون فائق النبض في الخصائص المشتركة لمشارط ليزر ثاني أكسيد الكربون المستمرة فحسب، بل لها مزاياها أيضاً. فهي تستطيع إخراج أشعة ليزر نابضة عالية الطاقة وعالية التردد والتكرار، مما يلبي المتطلبات التشغيلية لـ "التحلل الضوئي الانتقائي بالليزر".
ويمكنها إزالة أنسجة الآفة المستهدفة بسرعة وفعالية، مما يقلل من الأضرار التي تلحق بالليزر بالأنسجة الطبيعية، ويزيد بشكل كبير من دقة وسلامة العيادات الطبية.
أظهرت الممارسة السريرية أنه عند إجراء الجراحة نفسها، فإن طاقة الليزر المستخدمة بواسطة الليزر النبضي أقل بكثير من الليزر المستمر.
ولذلك، يكون تفاعل الأنسجة الناجم عن جراحة الليزر أخف، ويكون الضرر الذي يلحق بالأنسجة المحيطة أقل، والوقت أقصر، ويقل الدخان الناتج أثناء العلاج، مما يعطي مجالاً بصرياً واضحاً.
تم استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون فائق النبض على نطاق واسع في طب الأنف والأذن والحنجرة وأمراض النساء وجراحة الأعصاب والجراحة العامة والتجميل.
أجرت شركة Lumenis، وهي الشركة التي قدمت العلاج بالليزر "بريدج"، أبحاثاً وأنتجت العديد من أجهزة العلاج بالليزر ثاني أكسيد الكربون مثل سلسلة NovaPulse للاستخدام في طب الأنف والأذن والحنجرة والتجميل.
وتشمل الأمثلة الأخرى الجهاز الجراحي MODEL CTL1401 الذي أنتجته شركة CTL البولندية، وجهاز GL-Ⅲ من شركة NANO LASER اليابانية، وهو جهاز العلاج بليزر ثاني أكسيد الكربون لجراحة الفم.
(1) CO2 القطع بالليزر التكنولوجيا
تُستخدم تقنية القطع بالليزر على نطاق واسع في معالجة كل من المعادن و غير معدنية المواد. يقلل بشكل كبير من وقت المعالجة ويقلل التكاليف ويحسن جودة قطع العمل.
يتم تحقيق القطع بالليزر من خلال الطاقة عالية الكثافة التي يتم إنتاجها بعد تركيز الليزر.
بالمقارنة مع التقليدية معالجة الصفائح المعدنية توفر طرق القطع بالليزر جودة قطع فائقة وسرعة ومرونة (تسمح بأشكال عشوائية) وقدرة واسعة على تكييف المواد.
من حيث قطع المعادن، فإنه يشكل المجال الأساسي للقطع بالليزر CO2. في الوقت الحالي، وبالنظر إلى العوامل الاقتصادية، يتم استخدام آلات القطع بالليزر عالية الطاقة بشكل عام للتعاقد من الباطن في شكل معالجة المحطات.
مع نضوج ليزر ثاني أكسيد الكربون متوسط الطاقة محليًا، فإن العديد من الصفائح المعدنية ستشتري المصانع ماكينات القطع بالليزر الخاصة بها، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في الطلب.
يتم تطبيق القطع غير المعدني في قطع القوالب، وقطع الخشب والألواح الليفية عالية الكثافة، وقطع البلاستيك.
(2) اللحام بالليزر ثاني أكسيد الكربون التكنولوجيا
اللحام بالليزر هو طريقة لربط المواد، وتستخدم في الغالب لتوصيل المواد المعدنية. على غرار التقليدية تقنيات اللحاميربط بين مكونين أو جزأين عن طريق صهر المادة في منطقة التوصيل.
نظرًا للتركيز العالي لطاقة الليزر، فإن عمليات التسخين والتبريد سريعة للغاية.
يمكن معالجة المواد التي يصعب معالجتها بتقنيات اللحام القياسية، بسبب هشاشتها أو صلابتها العالية أو مرونتها القوية، بسهولة باستخدام الليزر.
من ناحية أخرى اللحام بالليزر لا ينطوي على أي تلامس ميكانيكي، مما يجعل من السهل ضمان عدم تشوه منطقة اللحام تحت الضغط.
من خلال صهر أقل كمية من المواد لتحقيق توصيلات السبائك، فإن جودة اللحام إلى حد كبير، وتزداد الإنتاجية.
يوفر اللحام بالليزر درز اللحام والحد الأدنى من المنطقة المتأثرة بالحرارة، مما يؤدي إلى جودة فائقة.
على سبيل المثال، في لحام الصفائح المعدنية الرقيقة، فإن ليزر ثاني أكسيد الكربون متوسط الطاقة مناسب للحام الصفائح المعدنية الرقيقة التي يقل سمكها عن 1 مم، مثل الصفائح المغلفة صفائح السيليكون الصلب غالبًا ما تستخدم في قطع غيار السيارات، والمولدات، والمساحات، والمبتدئات، ورافعات النوافذ، إلخ.
كان يتم تأمينها في السابق عن طريق التثقيب والتثبيت، ولكن الآن يمكن لحامها بالليزر.
لحام البطاريات، خاصةً في إنتاج بطاريات الليثيوم - مثل لحام الألواح، ولحام صمام الأمان، ولحام القطب السالب، ولحام غلاف اللحام - اللحام بالليزر هو العملية المثلى، التي تتطلب مجموعة كبيرة ومتنوعة من ماكينات اللحام بالليزر.
يتزايد الطلب على اللحام بالليزر في أجزاء الأدوات الدقيقة أيضًا، مثل لحام الفولاذ المقاوم للصدأ الأغشية وأغلفة أجهزة الطيران.
على مدار ما يقرب من 50 عامًا منذ نشأته، كان ليزر ثاني أكسيد الكربون محور اهتمام الإنسان. ويعمل هذا النوع من ليزر الغاز باستخدام غاز ثاني أكسيد الكربون كوسيط عمل. ليزر ثاني أكسيد الكربون هو فئة مهمة من ليزر الغاز.
تشمل الاتجاهات البحثية الرئيسية الحالية لأشعة ليزر ثاني أكسيد الكربون ما يلي:
1. ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي الكفاءة.
ومما لا شك فيه، مقارنة بأشعة ليزر الحالة الصلبة، أن كفاءتها عالية للغاية. ومع ذلك، بشكل عام، بالنسبة إلى ليزر ثاني أكسيد الكربون نفسه، لا تزال الكفاءة منخفضة نسبياً.
في عام 1964، باستخدام غاز N2، تم تحقيق كفاءة تحويل تبلغ 3%؛ وفي عام 1965، باستخدام خليط من غازات CO2-N2-He، وصلت كفاءة التحويل إلى 6%. وحتى الآن، لم تتجاوز أعلى كفاءة 60%.
تقوم العديد من الشركات بالبحث عن تحسينات في الكفاءة. على سبيل المثال، حققت شركة Datong الأمريكية كفاءة تبلغ حوالي 60% في ليزر ثاني أكسيد الكربون الخاص بها.
2. ليزر ثاني أكسيد الكربون الصغير متعدد الوظائف.
معظم أجهزة ليزر ثاني أكسيد الكربون الحالية لها وظيفة واحدة ويمكنها فقط القيام بمهمة محددة للغاية. نحن نعلم أن أجهزة ليزر ثاني أكسيد الكربون المستخدمة في المستشفيات الكبيرة لإزالة النمش والشعر ضخمة للغاية، ولكن هياكلها متشابهة في الأساس. ويؤدي استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون متعدد الوظائف إلى حجم مادي أصغر وسعر أقل نسبيًا.
3. ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي الطاقة.
لطالما كانت القوة العالية مسعى عسكرياً. وفي هذا الصدد، يعتبر مستوى الأبحاث في بعض المؤسسات العسكرية المحلية متخلفاً نسبياً. فقد كانت القوات الجوية الأمريكية أول من بدأ البحث في مجال ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي الطاقة.
في عام 1975، الذكرى السنوية الحادية عشرة لميلاد ليزر ثاني أكسيد الكربون CO2، طورت القوات الجوية الأمريكية ليزر CO2 بمستوى طاقة يصل إلى 30KW. وفي عام 1988، وصلت طاقة خرج ليزر ثاني أكسيد الكربون الذي تم بحثه إلى 380 كيلوواط.
ووفقًا لبعض البيانات الصادرة عن الجيش الأمريكي، فإن طاقة إنتاج ليزر ثاني أكسيد الكربون المطور وصلت الآن إلى مستوى عشرات الميجاوات.
4. البحوث في مجال التكنولوجيا الصناعية.
يهيمن ليزر ثاني أكسيد الكربون CO2 في المعالجة بالليزريستخدم على نطاق واسع في اللحام والقطع والمعالجة الحرارية والتنظيف، من بين أشياء أخرى. جودة وإخراج طاقة الليزر لها متطلبات دقيقة للغاية.
ولذلك، تحتاج ليزرات ثاني أكسيد الكربون الصناعية إلى أشعة ليزر عالية الجودة وطاقة خرج مستقرة.
لقد تغلغلت تطبيقات الليزر بالفعل في مجالات مثل البصريات والطب والطاقة النووية وعلم الفلك والجغرافيا وعلم المحيطات، مما يمثل تطور الثورة التكنولوجية الجديدة.
إذا قارنت تاريخ تطوير الليزر بتاريخ تطوير الإلكترونيات والطيران، فلا بد أن تدرك أننا ما زلنا في المراحل الأولى من تطوير الليزر، وأن هناك مستقبل أكثر إثارة وواعدًا في الأفق.
سيتطور مستقبل ليزر ثاني أكسيد الكربون في الاتجاهات التالية:
(1) ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي التدفق المستعرض عالي الطاقة.
يُستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي التدفق المستعرض عالي الطاقة لمعالجة الليزر والمعالجة الحرارية بالليزر، مع هيكل متكامل على شكل صندوق. يضم الصندوق العلوي للوحدة غرفة تفريغ متكاملة، ومبادل حراري، ونظام مروحة، وموجه مدخل/مخرج، ومرنان بصري.
يحتوي الصندوق السفلي على مصدر طاقة الليزر، ونظام شحن الغاز وتفريغه، ومضخة التفريغ، وصندوق مقاوم الصابورة، وصندوق التحكم.
بالمقارنة مع التكنولوجيا الحالية، فهي تتميز بهيكل مدمج وسهل التركيب والصيانة وكفاءة عمل عالية، ويمكن تصغيرها.
وتتمثل تطبيقاته الأساسية في لحام الأدوات الماسية وتروس السيارات ومولدات غاز الوسادة الهوائية للسيارات والليزر تصلب السطح وعمليات التراكب، والتطبيقات الفريدة من نوعها مثل إصلاح أسطح الأجزاء البتروكيماوية وتصلب الأسطح في لفائف الصلب.
(2) ليزر ثاني أكسيد الكربون الصوتي البصري Q-Switched CO2.
لتلبية متطلبات التطبيق في مجالات مثل تحديد المدى بالليزر، والكشف البيئي، والاتصالات الفضائية، والبحث في آليات التفاعل بين الليزر والمواد، تم تطوير ليزر CO2 ذو التبديل الكمي الصوتي البصري Q-البصري.
وباستخدام معادلات معدل الليزر النبضي كيو-سويتويتشيتر (Q-switched) تم تحليل المعلمات التقنية الرئيسية لخرج الليزر نظريًا وحسابها ثم التحقق منها تجريبيًا.
يتراوح تردد تكرار النبض لليزر من 1 هرتز إلى 50 كيلو هرتز. وعند تشغيل 1 كيلوهرتز يكون عرض نبض الليزر الناتج 180 نانوثانية، وذروة الطاقة 4062 واط، وهو ما يتسق أساساً مع الحسابات النظرية.
أظهرت النتائج أنه يمكن تحقيق تردد التكرار العالي، وعرض النبضة الضيق، وذروة خرج الطاقة العالية لليزر CO2 صغير الحجم من خلال الاختيار الأمثل للبلورة الصوتية البصرية (AO) وتصميم المرنان المعقول.
يمكن تحقيق ضبط الطول الموجي والإخراج المشفر لهذه الليزرات من خلال تصميم اختيار خط مقضب والتحكم في إشارة TTL.
(3) ليزر ثاني أكسيد الكربون المدمج طويل العمر المدمج المثير للترددات اللاسلكية.
لتوسيع نطاق تطبيق ليزر ثاني أكسيد الكربون في المعالجة الصناعية والاستخدام العسكري، تم تطوير ليزر ثاني أكسيد الكربون المدمج الموجه الموجي المثير للترددات اللاسلكية طويل العمر باستخدام مقاطع من سبائك الألومنيوم المبثوقة لجسم الليزر، ومحرِّض قرصي بدلاً من المحرِّض السلكي التقليدي، وعملية ختم معدنية بالكامل.
يمكنه الإخراج المستمر أو الإخراج النبضي بتردد تعديل لا يزيد عن 20 كيلو هرتز، مع قدرة إخراج قصوى تبلغ 30 واط، وعمر تشغيلي يتجاوز 1500 ساعة، وعمر تخزين يتجاوز 1.5 سنة.
تُظهر النتائج أن هذا الليزر يتميز بهيكل مدمج وطاقة خرج مستقرة وعمر تشغيلي طويل، ويمكنه العمل في أوضاع التعديل المستمر والنبضي. ولا يمكنه معالجة مواد مختلفة فحسب، بل يمكن استخدامه أيضًا في التطبيقات العسكرية.
(4) ليزر ثاني أكسيد الكربون TEA CO2 المحمول الجديد.
هذا ليزر ثاني أكسيد الكربون المثار عرضياً والمحمول الجديد الذي يعمل بالضغط الجوي. يتم تشغيل الليزر بأربع بطاريات رقم 5 قابلة لإعادة الشحن ويمكنه العمل بشكل مستمر لمدة ساعة واحدة بمعدل تكرار 1 هرتز.
يبلغ حجم وحدة الليزر الكاملة (بما في ذلك مزود الطاقة ونظام التحكم) 200 نانومتر × 200 مم × 360 مم، ووزنها أقل من 8 كجم. ويستخدم الليزر التأيين المسبق للأشعة فوق البنفسجية لتفريغ مستقر وموحد.
في ظروف التذبذب الحر، تصل طاقة خرج النبضة الليزرية إلى 35 ملي جول وعرض النبضة الناتجة 70 نانوثانية.
(5) ليزر ثاني أكسيد الكربون عالي الطاقة المستمر.
ردًا على مشكلة التشققات وتشوه الشفرات في الشفرات المتصلة الكسوة بالليزر لشفرات توربينات محرك المروحية، تم اعتماد مخطط جديد للتحكم في الطاقة على ليزر ثاني أكسيد الكربون المستمر ذي التدفق العرضي بقدرة 5 كيلوواط.
من خلال البرمجيات وأدوات التحكم ذات الصلة، تم تحقيق إخراج طاقة الليزر النبضية، والتغلب على مشاكل التكلفة والاستقرار الناجمة عن إمدادات الطاقة التبديلية عالية الطاقة.
يمكن أن يصل تردد تعديل النبض إلى 5 هرتز، ويمكن أن تتراوح دورة عمل التعديل من 5% إلى 100%.
في تجربة لكسوة مسحوق السبيكة ستلايت X-40 على سطح سبيكة K403 لشفرات المحرك، تم استخدام طاقة قصوى تبلغ 4 كيلوواط، وتردد تكرار النبض 4 هرتز، ودورة عمل تبلغ 20%.
أظهرت النتائج أن المنطقة المتأثرة بالحرارة قد انخفضت بمقدار 50% بعد التكسية وزادت الصلابة بمقدار 5%، وكان أداء الترابط البيني مماثلًا للمادة الأساسية، ولم يكن هناك أي تشققات في التكسية أو تشوه في الشفرة.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO