¿Alguna vez se ha preguntado cómo el láser ha revolucionado todo, desde la cirugía hasta el corte de metales? Este artículo se adentra en el fascinante mundo de los láseres de CO2, explicando sus principios, estructura y diversas aplicaciones. Al leerlo, descubrirá cómo funcionan estas potentes herramientas y su impacto en diversos sectores. Prepárese para explorar las maravillas de la tecnología láser de CO2.
En 1964, Patel obtuvo salida láser continua a longitudes de onda cercanas a 10,4 micras y 9,4 micras en descarga de gas CO2, dando origen al primer láser molecular de CO2 del mundo.
Tiene una potencia significativa y una alta eficiencia de conversión de energía.
Utiliza la transición entre los niveles de energía vibracional-rotacional de las moléculas de CO2, lo que da lugar a un rico espectro. Hay docenas de líneas espectrales para la salida láser cerca de 10 micras. Su amplia aplicación en la industria, el ejército, la medicina y la investigación científica ha aportado muchas comodidades a nuestras vidas.
En 1966 nació el láser de CO2 aerodinámico, que atrajo gran atención sobre la tecnología láser de CO2. La introducción de la aerodinámica en la tecnología láser ha abierto amplias perspectivas para el uso de los láseres de CO2.
Con el avance de la ciencia y la tecnología, la tecnología láser en todo el mundo también se ha desarrollado en consecuencia. El láser de dióxido de carbono es actualmente uno de los láseres con mayor potencia de salida continua. Su desarrollo temprano y sus productos comerciales maduros se han utilizado ampliamente en campos como el procesamiento de materiales, el uso médico, las armas militares y la medición medioambiental.
En el desarrollo y aplicación de los láseres, la creación y aplicación de los láseres de CO2 llegó antes y con más frecuencia. Ya a finales de la década de 1970, los láseres de CO2 se importaban directamente del extranjero para el procesamiento industrial y las aplicaciones médicas.
Desde finales de la década de 1980, los láseres de CO2 se han introducido y aplicado ampliamente en el campo del procesamiento de materiales.
Este artículo presenta principalmente los principios básicos y la estructura del láser de CO2, y se centra en la aplicación del láser de CO2 desde tres aspectos. Por último, presenta el estado actual de la investigación y las perspectivas de futuro del láser de CO2.
La producción de láser requiere tres condiciones:
(1) Un medio de ganancia que proporciona amplificación como material de trabajo del láser, y sus partículas activadas (átomos, moléculas o iones) tienen una estructura de niveles de energía adecuada para la emisión estimulada;
(2) Una fuente de excitación externa que bombea partículas de niveles de energía inferiores a niveles superiores, provocando una inversión del número de partículas entre los niveles de energía superior e inferior del láser;
(3) Un resonador óptico que amplía la longitud de trabajo del medio activado, controla la dirección del haz de luz y selecciona la frecuencia de la luz de emisión estimulada para mejorar la monocromaticidad.
En comparación con las fuentes de luz ordinarias, los láseres tienen cuatro características principales: excelente direccionalidad, brillo extremadamente alto, buena monocromaticidad y alta coherencia.
Un dispositivo láser es un mecanismo capaz de emitir láseres. El primer amplificador cuántico de microondas se fabricó en 1954 y produjo un haz de microondas muy coherente.
En 1958, A.L. Schawlow y C.H. Townes extendieron los principios de los amplificadores cuánticos de microondas a la gama de frecuencias ópticas y esbozaron los métodos para generar láseres.
En 1960, T.H. Maiman y su equipo construyeron el primer láser de rubí. En 1961, A. Javan y otros fabricaron un láser de helio-neón y, en 1962, R.N. Hall y su equipo crearon un láser semiconductor de arseniuro de galio. Desde entonces, los tipos de láser no han dejado de ampliarse.
Aparte de los láseres de electrones libres, los principios fundamentales de funcionamiento de los distintos láseres son idénticos.
Las condiciones esenciales para producir un láser son la inversión del número de partículas y que la ganancia supere a la pérdida, por lo que los componentes indispensables de un sistema incluyen una fuente de excitación (o bomba) y un medio de trabajo con niveles de energía metaestables.
La excitación es el estado de excitación después de que el medio de trabajo absorba la energía externa, creando las condiciones para lograr y mantener la inversión del número de partículas. Los métodos de excitación incluyen la excitación óptica, la excitación eléctrica, la excitación química y la excitación por energía nuclear.
El medio de trabajo que tiene un nivel de energía metaestable permite que domine la radiación estimulada, con lo que se consigue la amplificación de la luz. Los componentes habituales de un dispositivo láser también incluyen una cavidad resonante.
Sin embargo, la cavidad resonante (véase cavidad óptica resonante) no es un componente esencial. La cavidad resonante puede alinear la frecuencia, la fase y la dirección de los fotones dentro de la cavidad, proporcionando así al láser una excelente direccionalidad y coherencia.
Además, puede acortar eficazmente la longitud del material de trabajo y ajustar el modo del láser producido cambiando la longitud de la cavidad resonante. Por lo tanto, la mayoría de los dispositivos láser tienen una cavidad resonante.
Hay muchos tipos de láser. A continuación, los clasificaremos y presentaremos en función del material de trabajo del láser, el método de excitación y el modo de funcionamiento.
(1) Por material de trabajo
Los láseres pueden agruparse en varias categorías en función del estado del material de trabajo:
① Láseres sólidos (cristal y vidrio);
② Láseres de gas, divididos a su vez en láseres de gas atómico, láseres de gas iónico, láseres de gas molecular y láseres de gas cuasimolecular;
③ Láseres líquidos, cuyos materiales de trabajo incluyen principalmente dos tipos: soluciones orgánicas de colorantes fluorescentes y soluciones de compuestos inorgánicos que contienen iones metálicos de tierras raras;
Láseres semiconductores;
Láseres de electrones libres.
(2) Por método de excitación
Láseres bombeados ópticamente;
Láseres de excitación eléctrica;
③ Láseres químicos;
④ Láseres de bombeo nuclear.
(3) Por modo de funcionamiento
Debido a los diferentes materiales de trabajo, métodos de excitación y fines de aplicación de los láseres, sus modos de funcionamiento y estados de trabajo también varían. Pueden dividirse en varios tipos principales:
① Láseres continuos;
② Láseres de pulso único;
③ Láseres de impulsos repetitivos;
Láseres modulados;
⑤ Láseres de bloqueo modal;
⑥ Láseres monomodo y de frecuencia estable;
Láseres sintonizables.
En la Figura 1 se representa una estructura típica de láser de CO2. Los dos espejos que forman la cavidad resonante del láser de CO2 se colocan en un bastidor de cavidad ajustable. El método más sencillo consiste en fijar directamente los espejos a ambos extremos del tubo de descarga.
Estructura básica:
① Tubo láser
Es la parte más crítica del láser. Suele constar de tres partes (como se muestra en la figura 1): el espacio de descarga (tubo de descarga), la camisa (tubo) de refrigeración por agua y el depósito de gas.
El tubo de descarga suele ser de vidrio duro y a menudo emplea una estructura cilíndrica en cascada. Afecta a la salida del láser y a su potencia. La longitud del tubo de descarga es proporcional a la potencia de salida.
Dentro de un determinado intervalo de longitudes, la potencia por metro de tubo de descarga aumenta con la longitud total.
En general, el grosor del tubo de descarga no influye en la potencia de salida. El tubo de la camisa de refrigeración por agua, al igual que el tubo de descarga, es de vidrio duro.
Su función es enfriar el gas de trabajo, estabilizando la potencia de salida. El tubo de almacenamiento de gas está conectado a ambos extremos del tubo de descarga, lo que significa que un extremo del tubo de almacenamiento de gas tiene un pequeño orificio conectado al tubo de descarga, y el otro extremo está conectado al tubo de descarga a través de un tubo de gas de retorno en espiral.
Su función es permitir que el gas circule dentro del tubo de descarga, facilitando el intercambio constante de gases.
② Resonador óptico
El resonador óptico está compuesto por un espejo de reflexión total y otro de reflexión parcial, y constituye una parte crucial del láser de CO2.
El resonador óptico suele tener tres funciones: controlar la dirección de propagación del haz de luz, mejorando la monocromaticidad; seleccionar un modo; ampliar la longitud de trabajo del medio activo.
El resonador óptico del láser más sencillo y utilizado se compone de dos espejos planos (o espejos esféricos) colocados uno frente al otro. El resonador del láser de CO2 suele utilizar una cavidad plana-cóncava, con el espejo de reflexión hecho de vidrio óptico K8 o cuarzo óptico, procesado en un espejo cóncavo con un gran radio de curvatura.
Sobre la superficie del espejo se deposita una película metálica altamente reflectante -una película de oro- que alcanza un índice de reflexión de 98,8% para luz con una longitud de onda de 10,6μm, y posee propiedades químicas estables.
Sabemos que la luz emitida por el dióxido de carbono es infrarroja, por lo que el espejo tiene que ser capaz de transmitir luz infrarroja. Como el vidrio óptico común es opaco a la luz infrarroja, se necesita un pequeño orificio en el centro del espejo de reflexión total, que luego se sella con un material capaz de transmitir un láser de 10,6μm.
Esto sella el gas y permite que una parte del láser del resonador salga de la cavidad por este pequeño orificio, formando un haz láser.
③ Fuente de alimentación y bomba
La fuente de bombeo proporciona energía para provocar una inversión de población entre los niveles de energía superior e inferior en el material de trabajo. La corriente de descarga de un láser de CO2 sellado es pequeña, ya que utiliza un cátodo frío, y el cátodo se fabrica en forma cilíndrica con molibdeno o níquel.
Con una corriente de trabajo de 30-40mA y una superficie cilíndrica del cátodo de 500cm2, el espejo no se contaminará. Se añade una barrera de luz entre el cátodo y el espejo.
Como se muestra en la Figura 2, el diagrama ilustra los niveles de energía molecular responsables de la generación del láser en un láser de CO2.
En el proceso de excitación del láser de CO2, como puede apreciarse en la Figura 2, intervienen principalmente tres gases: CO2, nitrógeno y helio. El CO2 es el gas que produce radiación lásermientras que el nitrógeno y el helio sirven como gases auxiliares.
El helio cumple dos funciones: acelera el proceso de relajación térmica del nivel 010, lo que ayuda a la extracción de los niveles 100 y 020, y facilita la transferencia efectiva de calor.
La introducción de nitrógeno facilita principalmente la transferencia de energía en el láser de CO2, contribuyendo significativamente a la acumulación de partículas en los niveles superiores de energía del láser de CO2 y a la salida de láseres de alta potencia y eficacia.
La bomba emplea una excitación continua de corriente continua. Su principio de alimentación de CC consiste en transformar la tensión alterna conectada mediante un transformador y, a continuación, rectificar y filtrar la alta tensión para aplicarla al tubo láser.
El láser de CO2 es un láser de alta eficacia que minimiza el daño al medio de trabajo. Emite un láser invisible con una longitud de onda de 10,6μm, lo que lo convierte en un láser ideal.
Según las condiciones de trabajo del gas, puede dividirse en tipos cerrados y de circulación. Según el método de excitación, puede dividirse en excitación eléctrica, excitación química, excitación térmica, excitación óptica y excitación nuclear. Casi todos los láseres de CO2 utilizados en medicina son de excitación eléctrica.
El principio básico de funcionamiento del láser de CO2 es similar al de otros láseres moleculares, siendo el proceso de emisión estimulada bastante complejo.
La molécula tiene tres movimientos diferentes: el movimiento de los electrones dentro de la molécula, que determina el estado de energía electrónica de la molécula; las vibraciones de los átomos dentro de la molécula, es decir, los átomos que oscilan periódicamente alrededor de sus posiciones de equilibrio, que determinan el estado de energía vibracional de la molécula; y la rotación de la molécula, es decir, la rotación continua de la molécula en el espacio en su conjunto, que determina el estado de energía rotacional de la molécula.
Los movimientos moleculares son extremadamente complejos, de ahí la complejidad de los niveles de energía.
Generación de láser en el láser de CO2: En el tubo de descarga suele entrar una corriente continua de varias decenas a cientos de miliamperios.
Durante la descarga, las moléculas de nitrógeno del gas mezclado dentro del tubo de descarga se excitan debido a la colisión de electrones. A continuación, las moléculas de nitrógeno excitadas chocan con las moléculas de CO2.
La molécula de N2 transfiere su energía a la molécula de CO2, provocando la transición de la molécula de CO2 de un nivel de energía inferior a uno superior, lo que da lugar a una inversión de población y, en consecuencia, a la generación de láser.
En comparación con otros láseres, los de CO2 presentan las siguientes ventajas e inconvenientes:
Ventajas:
Presentan una direccionalidad, monocromaticidad y estabilidad de frecuencia superiores. Dada la baja densidad del gas, es difícil lograr una alta densidad de partículas excitadas, por lo que la salida de densidad de energía de un CO2 láser de gas suele ser inferior a la de un láser de estado sólido.
Desventajas:
Aunque la eficiencia de conversión de energía de los láseres de CO2 es bastante alta, no superará los 40%. Esto significa que más de 60% de la energía se convierte en energía térmica del gas, lo que provoca un aumento de la temperatura. El aumento de la temperatura del gas puede provocar la despoblación del nivel superior del láser y la excitación térmica del nivel inferior, lo que disminuye el número de inversiones de partículas.
Además, un aumento de la temperatura del gas puede provocar un ensanchamiento de la línea espectral, lo que conlleva una disminución del coeficiente de ganancia.
Especialmente, el aumento de la temperatura del gas también puede provocar la descomposición de las moléculas de CO2, reduciendo la concentración de moléculas de CO2 en el tubo de descarga. Estos factores pueden disminuir la potencia de salida del láser, e incluso provocar un "apagado térmico".
En los últimos años, el desarrollo constante de los láseres de CO2 ha sido notable en las aplicaciones militares. Las armas láser, como nuevo concepto, se han convertido en favoritas en el armamento del nuevo siglo debido a sus ventajas sobre las armas convencionales tradicionales, tales como alta velocidad, buena direccionalidad, alta densidad de energía y alta eficiencia operativa.
Las armas láser de alta energía están desempeñando un papel cada vez más importante en las aplicaciones militares, representando la dirección del desarrollo futuro del armamento. Están preparadas para cambiar profundamente el entorno actual del campo de batalla y los modos de guerra, transformando profundamente la naturaleza de los conflictos futuros.
Varios países han diseñado láseres de CO2 aerodinámicos de alta energía y gran potencia de salida para el desarrollo de armas láser de alta energía.
Una característica básica de la defensa antimisiles por láser, o táctica antimisiles por láser, es el uso de láseres de alta energía que viajan a la velocidad de la luz para destruir misiles u otros objetos voladores que se mueven a la velocidad del sonido.
Podemos afirmar sin temor a equivocarnos que este ámbito está dominado por los láseres de CO2 debido a sus importantes ventajas.
En la actualidad, el ejército está adoptando sistemas antimisiles láser de pequeño tamaño basados en tierra, mientras que las fuerzas aéreas utilizan sistemas antimisiles láser aerotransportados y la armada sistemas antimisiles láser embarcados, todos los cuales utilizan láseres de CO2 de alta energía.
Las principales características de las futuras armas láser de CO2 son una potencia ultraelevada y una gran portabilidad. Los láseres de alta energía serán un componente crucial de los futuros sistemas de combate, contribuyendo a la contravigilancia, la protección activa, la defensa antiaérea y la retirada de minas.
La gran portabilidad mejorará en gran medida las capacidades de combate de los soldados individuales, maximizando el papel de cada soldado, aunque esta idea es actualmente teórica. Las armas láser de varios países se están desarrollando en esta dirección.
Se espera que las futuras armas láser de CO2 evolucionen hacia una alta funcionalidad, portabilidad y eficacia letal. Como se muestra en la figura 3:
En los últimos 20 años, la tecnología láser ha avanzado rápidamente en el campo de la medicina, curando eficazmente muchas enfermedades y trastornos congénitos.
Los láseres de CO2 de haz libre se utilizan en cirugías, a menudo sin contacto con el tejido cutáneo, lo que proporciona diversas ventajas sobre las cirugías convencionales, como la reducción de daños mecánicos, el aumento de la protección de los tejidos circundantes y el mantenimiento de condiciones asépticas con mayor facilidad.
En comparación con otras cirugías láser, el bisturí láser de CO2 tiene un mayor poder de corte, un mayor coeficiente de absorción tisular y una menor concentración de penetración tisular (aproximadamente 0,23 mm). Esto hace que sea menos probable que dañe las arterias durante la cirugía, lo que ha llevado al uso generalizado del láser de CO2 continuo para el tratamiento quirúrgico clínico.
Sin embargo, el daño de los láseres continuos de CO2 a los tejidos en aplicaciones clínicas no es selectivo, lo que a menudo provoca efectos secundarios como cicatrices cutáneas tras la cirugía. El corte o vaporización de las lesiones también puede dañar los tejidos normales en diversos grados, lo que lo hace inadecuado para cirugías con requisitos elevados. Esto limita considerablemente la aplicación del láser de CO2 en medicina.
En 1983, Aderson y Parrish propusieron el principio de "fototermólisis selectiva" para el tratamiento con láser no dañino.
La idea esencial es que cuando el láser atraviesa el tejido normal para llegar a la lesión diana, el coeficiente de absorción del láser en la lesión debe ser superior al del tejido normal -cuanto mayor sea la diferencia, mejor- para evitar dañar el tejido normal al destruir la lesión diana.
El tiempo de relajación térmica del tejido diana debe ser mayor que la anchura del pulso o el tiempo de acción del láser, lo que impide que el calor se propague al tejido normal circundante durante el proceso de calentamiento por láser.
Basados en el principio de la "fototermólisis selectiva", los dispositivos médicos de pulsos de alta energía representados por las máquinas de tratamiento con láser de CO2 de ultrapulsos surgieron en la década de 1990.
Estos dispositivos se han aplicado con éxito, permitiendo avances revolucionarios en aplicaciones de alta exigencia, dominando especialmente en el campo de la cosmética láser. Las perspectivas de desarrollo son muy amplias.
Los láseres de CO2 ultrapulsados emplean una avanzada tecnología de pulsos y una tecnología de control de potencia PWM. Éstas no sólo aumentan rápidamente la potencia pico de salida del láser, proporcionando suficiente energía al tejido diana, sino que también controlan con precisión la anchura y la frecuencia de repetición de cada pulso mediante señales PWM.
Mediante el cálculo del tiempo de relajación térmica del tejido objetivo, el control de la anchura del pulso puede lograr resultados quirúrgicos óptimos. Por ejemplo, el tiempo de relajación térmica de los capilares es de aproximadamente 10μs, lo que requiere una anchura de pulso inferior a 10μs; el tiempo de relajación térmica del tejido cutáneo es de aproximadamente 1 ms, lo que requiere una anchura de pulso inferior a 1 ms para un dispositivo láser utilizado para el rejuvenecimiento cutáneo y la eliminación de arrugas.
La diferencia más significativa entre los dispositivos láser modernos y los de hace más de una década radica en el control preciso de la anchura del pulso, que garantiza fundamentalmente la seguridad del tratamiento láser moderno.
Las máquinas de tratamiento con láser de CO2 ultrapulsado no sólo comparten las características comunes de los escalpelos láser de CO2 continuos, sino que también tienen sus ventajas. Pueden emitir láseres pulsados de alta energía y alta frecuencia de repetición, cumpliendo los requisitos operativos de la "fototermólisis selectiva por láser."
Pueden eliminar de forma rápida y eficaz los tejidos de la lesión diana, minimizando el daño del láser a los tejidos normales y aumentando significativamente la precisión y la seguridad de las clínicas médicas.
La práctica clínica ha demostrado que al realizar la misma cirugía, el potencia del láser utilizado por los láseres pulsados es mucho menor que el de los láseres continuos.
Por lo tanto, la reacción tisular causada por la cirugía láser es más leve, el daño a los tejidos circundantes es menor, el tiempo es más corto y se produce menos humo durante el tratamiento, lo que proporciona un campo visual claro.
Los láseres de CO2 ultrapulsados se han utilizado ampliamente en Otorrinolaringología, Ginecología, Neurocirugía, Cirugía General y Estética.
Lumenis, la empresa que introdujo la terapia puente, ha investigado y producido varios dispositivos de tratamiento con láser de CO2, como la serie NovaPulse para su uso en Otorrinolaringología y Estética.
Otros ejemplos son el dispositivo quirúrgico MODEL CTL1401, fabricado por la empresa polaca CTL, y el GL-Ⅲ, de la japonesa NANO LASER, un dispositivo de tratamiento con láser de CO2 para cirugía oral.
(1) CO2 Corte por láser Tecnología
La tecnología de corte por láser se utiliza ampliamente en el procesamiento de materiales metálicos y no metálicos. no metálico materiales. Reduce considerablemente el tiempo de procesamiento, disminuye los costes y mejora la calidad de las piezas.
El corte por láser se consigue mediante la energía de alta densidad de potencia producida tras el enfoque del láser.
En comparación con los transformación de chapa el corte por láser ofrece una calidad de corte superior, velocidad, flexibilidad (permite formas arbitrarias) y una amplia adaptabilidad a los materiales.
En términos de corte de metalesconstituye el dominio principal del corte por láser de CO2. Actualmente, teniendo en cuenta factores económicos, las máquinas de corte por láser de alta potencia se emplean generalmente para la subcontratación en formato de procesamiento en estación.
Con la maduración de los láseres de CO2 de potencia media a nivel nacional, varios chapa metálica Las fábricas adquirirán sus propias máquinas de corte por láser, lo que provocará un aumento sustancial de la demanda.
El corte no metálico se aplica en el corte de plantillas de troqueles, el corte de madera y tableros de fibra de alta densidad, y el corte de plástico.
(2) Soldadura láser CO2 Tecnología
La soldadura láser es un método de unión de materiales, utilizado predominantemente para la conexión de materiales metálicos. Similar a la tradicional técnicas de soldaduraconecta dos componentes o piezas fundiendo el material en la zona de conexión.
Dada la alta concentración de energía láser, los procesos de calentamiento y enfriamiento son increíblemente rápidos.
Los materiales que resultan difíciles de procesar con técnicas de soldadura estándar, debido a su fragilidad, alta dureza o gran flexibilidad, pueden tratarse fácilmente con láser.
Por otro lado, soldadura láser no implica ningún contacto mecánico, lo que facilita que la zona de soldadura no se deforme bajo tensión.
Al fundir la menor cantidad de material para conseguir uniones de aleación, el calidad de la soldadura y aumenta la productividad.
La soldadura láser ofrece una costura de soldadura y una zona mínima afectada por el calor, lo que se traduce en una calidad superior.
Por ejemplo, en la soldadura de chapas finas metálicas, los láseres de CO2 de potencia media son adecuados para soldar chapas finas metálicas con un grosor inferior a 1 mm, como laminados chapas de acero al silicio Se utiliza a menudo en piezas de automóviles, generadores, limpiaparabrisas, motores de arranque, elevalunas, etc.
Antes se fijaban mediante punzonado y remachado, pero ahora se pueden soldar con láser.
La soldadura de baterías, especialmente en la producción de baterías de litio -como la soldadura de lengüetas, la soldadura de válvulas de seguridad, la soldadura de electrodos negativos, la soldadura de sellado de carcasas- la soldadura láser es el proceso óptimo, ya que requiere una gran variedad y número de máquinas de soldadura láser.
También está aumentando la demanda de soldadura láser en piezas de instrumentos de precisión, como el soldadura de acero inoxidable diafragmas y carcasas de instrumentos de aviación.
Durante los casi 50 años transcurridos desde su creación, el láser de CO2 ha sido el centro de atención de la humanidad. Este tipo de láser de gas funciona utilizando gas CO2 como medio de trabajo. Los láseres de CO2 constituyen una categoría importante de láseres de gas.
Las principales líneas de investigación actuales para los láseres de CO2 incluyen:
1. Láseres de CO2 de alta eficacia.
Sin duda, en comparación con los láseres de estado sólido, su eficiencia es extremadamente alta. Sin embargo, en general, en relación con el propio láser de CO2, la eficiencia sigue siendo comparativamente baja.
En 1964, empleando N2, se alcanzó una eficiencia de conversión de 3%; en 1965, utilizando una mezcla de gases CO2-N2-He, la eficiencia de conversión alcanzó los 6%. Hasta la fecha, la mayor eficiencia no supera los 60%.
Muchas empresas están investigando mejoras de la eficiencia. Por ejemplo, la empresa estadounidense Datong ha logrado una eficiencia de unos 60% en sus láseres de CO2.
2. Láseres de CO2 pequeños y multifuncionales.
La mayoría de los láseres de CO2 actuales tienen una única función y sólo pueden realizar una tarea muy concreta. Sabemos que los láseres de CO2 que se utilizan en los grandes hospitales para eliminar las pecas y el vello son bastante voluminosos, pero sus estructuras son fundamentalmente las mismas. El uso de láseres de CO2 multifuncionales tiene como resultado un menor volumen físico y, relativamente, un precio mucho menor.
3. Láseres de CO2 de alta potencia.
La alta potencia siempre ha sido un objetivo militar. En este sentido, el nivel de investigación de algunas empresas militares nacionales está relativamente atrasado. Las Fuerzas Aéreas de EE.UU. fueron las primeras en empezar a investigar los láseres de CO2 de alta potencia.
En 1975, undécimo aniversario del nacimiento del láser de CO2, las Fuerzas Aéreas estadounidenses desarrollaron un láser de CO2 con una potencia que alcanzaba los 30KW. En 1988, la potencia de salida del láser de CO2 investigado alcanzó los 380KW.
Según algunos datos publicados por el ejército estadounidense, la potencia de salida de los láseres de CO2 desarrollados ha alcanzado ya las decenas de megavatios.
4. Investigación sobre tecnología industrial.
Los láseres de CO2 dominan en procesamiento láser, siendo ampliamente utilizado para soldadura, corte, tratamiento térmico y limpieza, entre otras cosas. La calidad y la potencia de salida del láser tienen requisitos muy precisos.
Por lo tanto, los láseres de CO2 industriales deben tener haces láser de alta calidad y una potencia de salida estable.
Las aplicaciones del láser ya han penetrado en campos como la óptica, la medicina, la energía nuclear, la astronomía, la geografía y la oceanografía, marcando el desarrollo de la nueva revolución tecnológica.
Si se compara la historia del desarrollo del láser con la de la electrónica y la aviación, hay que darse cuenta de que aún estamos en las primeras fases del desarrollo del láser, y de que se vislumbra un futuro aún más emocionante y prometedor.
El futuro de los láseres de CO2 evolucionará en las siguientes direcciones:
(1) Láser de CO2 de flujo transversal de alta potencia.
Este láser de CO2 de flujo transversal de alta potencia se utiliza para el procesamiento láser y el tratamiento térmico, con una estructura integrada en forma de caja. La caja superior de la unidad alberga una cámara de descarga integrada, un intercambiador de calor, un sistema de ventilador, una guía de entrada/salida y un resonador óptico.
La caja inferior contiene la fuente de energía láser, el sistema de carga y descarga de gas, la bomba de vacío, la caja de la resistencia de lastre y la caja de control.
En comparación con la tecnología existente, presenta una estructura compacta, fácil instalación y mantenimiento, alta eficiencia de trabajo y puede miniaturizarse.
Sus principales aplicaciones son la soldadura de herramientas diamantadas, engranajes de automoción, generadores de gas para airbags de automoción, láser endurecimiento superficial y procesos de recubrimiento, y aplicaciones únicas como la reparación de superficies de piezas petroquímicas y el endurecimiento por fusión de superficies de rodillos de acero.
(2) Láser de CO2 de conmutación Q acústico-óptica.
Se ha desarrollado un láser de CO2 de conmutación Q acústico-óptica para satisfacer los requisitos de aplicación en campos como la telemetría láser, la detección medioambiental, la comunicación espacial y la investigación de los mecanismos de interacción láser-material.
Utilizando las ecuaciones de velocidad de los láseres de pulsos Q-switched, se han analizado teóricamente, calculado y verificado experimentalmente los principales parámetros técnicos de la salida del láser.
La frecuencia de repetición de impulsos del láser oscila entre 1 Hz y 50 kHz. Con un funcionamiento a 1 kHz, la anchura del pulso del láser de salida es de 180 ns, y la potencia de pico es de 4.062 W, lo que coincide básicamente con los cálculos teóricos.
Los resultados demuestran que es posible conseguir una frecuencia de repetición elevada, una anchura de pulso estrecha y una potencia de salida de pico elevada de un láser de CO2 de pequeño tamaño mediante una selección óptima del cristal acusto-óptico (AO) y un diseño razonable del resonador.
La sintonización de longitudes de onda y la salida codificada de estos láseres pueden lograrse mediante el diseño de la selección de la línea de rejilla y el control de la señal TTL.
(3) Láser compacto de CO2 de guía de onda excitada por RF de larga duración.
Para ampliar la aplicación de los láseres de CO2 en el procesamiento industrial y el uso militar, se ha desarrollado un láser de CO2 de guía de onda excitada por RF compacto y de larga duración mediante el uso de perfiles extruidos de aleación de aluminio para el cuerpo del láser, inductancia de disco en lugar de la inductancia tradicional bobinada con alambre, y un proceso de sellado totalmente metálico.
Puede emitir de forma continua o por impulsos a una frecuencia de modulación no superior a 20 kHz, con una potencia máxima de salida de 30 W, una vida útil superior a 1.500 horas y una vida útil de almacenamiento superior a 1,5 años.
Los resultados demuestran que este láser presenta una estructura compacta, una potencia de salida estable, una larga vida útil y puede funcionar en los modos de modulación continua y de impulsos. No sólo puede procesar diversos materiales, sino también utilizarse en aplicaciones militares.
(4) Nuevo láser de CO2 TEA portátil.
Se trata de un nuevo láser de CO2 a presión atmosférica de excitación transversal portátil. El láser funciona con cuatro pilas recargables del nº 5 y puede funcionar de forma continua durante 1 hora a una frecuencia de repetición de 1 Hz.
El tamaño de la unidad láser completa (incluida la fuente de alimentación y el sistema de control) es de 200 nm×200 mm × 360 mm, y su peso es inferior a 8 kg. El láser utiliza preionización corona ultravioleta para una descarga estable y uniforme.
En condiciones de oscilación libre, la energía de salida del pulso láser alcanza los 35 mJ, y la anchura del pulso de salida es de 70 ns.
(5) Láser de CO2 continuo de alta potencia.
En respuesta a la cuestión de las grietas y la deformación de las palas en el continuo revestimiento láser de álabes de turbina de motor de helicóptero, se adoptó un nuevo esquema de control de potencia en un láser de CO2 de flujo transversal continuo de 5 kW.
Mediante software y controles relacionados, se consiguió una salida de potencia láser pulsada, superando los problemas de coste y estabilidad que planteaban las fuentes de alimentación conmutadas de alta potencia.
La frecuencia de modulación de impulsos puede alcanzar los 5 Hz, y el ciclo de trabajo de modulación puede oscilar entre 5% y 100%.
En un experimento de revestimiento con polvo de aleación Stellite X-40 sobre la superficie de aleación K403 de álabes de motor, se utilizó una potencia pico de 4 kW, una frecuencia de repetición de impulsos de 4 Hz y un ciclo de trabajo de 20%.
Los resultados mostraron que la zona afectada por el calor se redujo en 50% tras el revestimiento, la dureza aumentó en 5%, el rendimiento de la unión interfacial fue comparable al del material base y no se produjeron grietas en el revestimiento ni deformaciones en la hoja.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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