Compreender os lasers de CO2 e as suas aplicações

I. Introdução

Em 1964, Patel obteve uma saída laser contínua com comprimentos de onda próximos de 10,4 microns e 9,4 microns numa descarga de gás CO2, dando origem ao primeiro laser molecular de CO2 do mundo.

Tem uma potência significativa e uma elevada eficiência de conversão de energia.

Utiliza a transição entre os níveis de energia vibracional-rotativa das moléculas de CO2, o que resulta num espetro rico. Existem dezenas de linhas espectrais para a saída do laser perto dos 10 microns. A sua extensa aplicação na indústria, no exército, na medicina e na investigação científica trouxe muitas comodidades às nossas vidas.

Em 1966, nasceu o laser de CO2 aerodinâmico, que atraiu grande atenção para a tecnologia laser de CO2. A introdução da aerodinâmica na tecnologia laser abriu amplas perspectivas para a utilização de lasers de CO2.

Com o avanço da ciência e da tecnologia, a tecnologia laser em todo o mundo também se desenvolveu em conformidade. O laser de dióxido de carbono é atualmente um dos lasers com elevada potência de saída contínua. O seu desenvolvimento inicial e os seus produtos comerciais maduros têm sido amplamente utilizados em domínios como o processamento de materiais, a utilização médica, o armamento militar e a medição ambiental.

No desenvolvimento e aplicação de lasers, a criação e aplicação de lasers de CO2 surgiu mais cedo e com maior frequência. Já no final da década de 1970, os lasers de CO2 eram importados diretamente do estrangeiro para processamento industrial e aplicações médicas.

Desde o final dos anos 80, os lasers de CO2 têm sido amplamente introduzidos e aplicados no domínio do processamento de materiais.

Este artigo apresenta principalmente os princípios básicos e a estrutura do laser de CO2 e centra-se na aplicação do laser de CO2 em três aspectos. Por fim, apresenta o estado atual da investigação e as perspectivas futuras do laser de CO2.

II. Lasers

2.1 Três condições para a produção de laser

A produção de lasers requer três condições:

(1) Um meio de ganho que proporciona amplificação como material de trabalho do laser, e as suas partículas activadas (átomos, moléculas ou iões) têm uma estrutura de níveis de energia adequada para emissão estimulada;

(2) Uma fonte de excitação externa que bombeia partículas de níveis de energia inferiores para níveis superiores, causando uma inversão do número de partículas entre os níveis de energia superiores e inferiores do laser;

(3) Um ressoador ótico que aumenta o comprimento de trabalho do meio ativado, controla a direção do feixe de luz e selecciona a frequência da luz de emissão estimulada para melhorar a monocromaticidade.

2.2 Características dos lasers

Em comparação com as fontes de luz normais, os lasers têm quatro características principais: excelente direccionalidade, brilho extremamente elevado, boa monocromaticidade e elevada coerência.

2.3 Dispositivos laser

Um dispositivo laser é um mecanismo capaz de emitir lasers. O primeiro amplificador quântico de micro-ondas foi fabricado em 1954, produzindo um feixe de micro-ondas altamente coerente.

Em 1958, A.L. Schawlow e C.H. Townes alargaram os princípios dos amplificadores quânticos de micro-ondas à gama de frequências ópticas e delinearam os métodos de geração de lasers.

Em 1960, T.H. Maiman e a sua equipa construíram o primeiro laser de rubi. Em 1961, A. Javan e outros produziram um laser de hélio-neão e, em 1962, R. N. Hall e a sua equipa criaram um laser de semicondutores de arsenieto de gálio. Desde então, os tipos de lasers têm-se expandido continuamente.

Com exceção dos lasers de electrões livres, os princípios fundamentais de funcionamento de vários lasers são idênticos.

As condições essenciais para a produção de um laser são a inversão do número de partículas e o ganho superior à perda, pelo que os componentes indispensáveis de um sistema incluem uma fonte de excitação (ou bomba) e um meio de trabalho com níveis de energia metaestáveis.

A excitação é o estado de excitação após o meio de trabalho absorver energia externa, criando condições para alcançar e manter a inversão do número de partículas. Os métodos de excitação incluem a excitação ótica, a excitação eléctrica, a excitação química e a excitação por energia nuclear.

O meio de trabalho com um nível de energia metaestável permite que a radiação estimulada domine, conseguindo assim a amplificação da luz. Os componentes comuns de um dispositivo laser incluem também uma cavidade ressonante.

No entanto, a cavidade de ressonância (ver cavidade de ressonância ótica) não é um componente essencial. A cavidade ressonante pode alinhar a frequência, a fase e a direção dos fotões no interior da cavidade, proporcionando assim ao laser uma excelente direccionalidade e coerência.

Além disso, pode efetivamente encurtar o comprimento do material de trabalho e ajustar o modo do laser produzido, alterando o comprimento da cavidade ressonante. Por conseguinte, a maioria dos dispositivos laser tem uma cavidade ressonante.

Existem muitos tipos de lasers. De seguida, iremos categorizá-los e apresentá-los com base no material de trabalho do laser, no método de excitação e no modo de funcionamento.

(1) Por material de trabalho

Os lasers podem ser agrupados em várias categorias com base no estado do material de trabalho:

① Lasers sólidos (cristal e vidro);

② Lasers de gás, divididos em lasers de gás atómico, lasers de gás iónico, lasers de gás molecular e lasers de gás quase-molecular;

③ Lasers líquidos, cujos materiais de trabalho incluem principalmente dois tipos: soluções de corantes orgânicos fluorescentes e soluções de compostos inorgânicos contendo iões metálicos de terras raras;

④ Lasers de semicondutores;

⑤ Lasers de electrões livres.

(2) Por método de excitação

① Lasers bombeados opticamente;

② Lasers eletricamente excitados;

③ Lasers químicos;

④ Lasers com bomba nuclear.

(3) Por modo de funcionamento

Devido aos diferentes materiais de trabalho, métodos de excitação e objectivos de aplicação dos lasers, os seus modos de funcionamento e estados de funcionamento também variam. Podem ser divididos em vários tipos principais:

① Lasers contínuos;

② Lasers de pulso único;

③ Lasers de impulsos repetitivos;

④ Lasers modulados;

⑤ Lasers com bloqueio de modo;

⑥ Lasers monomodo e de frequência estável;

⑦ Lasers sintonizáveis.

III. O princípio dos lasers de CO2

3.1 Estrutura básica de um laser de CO2

A Figura 1 representa uma estrutura típica de um laser de CO2. Os dois espelhos que formam a cavidade ressonante do laser de CO2 são colocados num suporte de cavidade ajustável. O método mais simples consiste em fixar diretamente os espelhos em ambas as extremidades do tubo de descarga.

Estrutura básica:

① Tubo de laser

Esta é a parte mais crítica do laser. É normalmente composto por três partes (como se mostra na Figura 1): o espaço de descarga (tubo de descarga), a camisa de arrefecimento de água (tubo) e o reservatório de gás.

O tubo de descarga é normalmente fabricado em vidro duro e utiliza frequentemente uma estrutura cilíndrica em cascata. Afecta a saída do laser e a potência da saída do laser. O comprimento do tubo de descarga é proporcional à potência de saída.

Dentro de uma certa gama de comprimentos, a potência de saída por metro de tubo de descarga aumenta com o comprimento total.

De um modo geral, a espessura do tubo de descarga não tem qualquer efeito sobre a potência de saída. O tubo da camisa de arrefecimento da água, tal como o tubo de descarga, é feito de vidro duro.

A sua função é arrefecer o gás de trabalho, estabilizando a potência de saída. O tubo de armazenamento de gás está ligado a ambas as extremidades do tubo de descarga, o que significa que uma extremidade do tubo de armazenamento de gás tem um pequeno orifício ligado ao tubo de descarga e a outra extremidade está ligada ao tubo de descarga através de um tubo de gás de retorno em espiral.

A sua função é permitir que o gás circule dentro do tubo de descarga, facilitando a troca constante de gás.

② Ressonador ótico

O ressoador ótico é composto por um espelho de reflexão total e um espelho de reflexão parcial, constituindo uma parte crucial do laser de CO2.

O ressoador ótico tem normalmente três funções: controlar a direção de propagação do feixe de luz, melhorando a monocromaticidade; selecionar um modo; aumentar o comprimento de trabalho do meio ativo.

O ressoador ótico do laser mais simples e mais comummente utilizado é composto por dois espelhos planos (ou esféricos) colocados um em frente do outro. O ressoador do laser de CO2 utiliza frequentemente uma cavidade côncava plana, com o espelho de reflexão feito de vidro ótico K8 ou quartzo ótico, transformado num espelho côncavo com um grande raio de curvatura.

Uma película metálica altamente reflectora - película de ouro - é depositada na superfície do espelho, atingindo uma taxa de reflexão de 98,8% para luz com um comprimento de onda de 10,6μm, e tem propriedades químicas estáveis.

Sabemos que a luz emitida pelo dióxido de carbono é infravermelha, pelo que o espelho tem de ser capaz de transmitir luz infravermelha. Como o vidro ótico comum é opaco à luz infravermelha, é necessário um pequeno orifício no centro do espelho de reflexão total, que é depois selado com um material que pode transmitir um laser de 10,6μm.

Isto sela o gás e permite que uma parte do laser no ressoador saia da cavidade a partir deste pequeno orifício, formando um feixe de laser.

③ Fonte de alimentação e bomba

A fonte da bomba fornece energia para provocar uma inversão de população entre os níveis de energia superior e inferior no material de trabalho. A corrente de descarga de um laser de CO2 selado é pequena, utilizando um cátodo frio, e o cátodo é fabricado em forma cilíndrica com molibdénio ou níquel.

Com uma corrente de trabalho de 30-40mA e uma área de cilindro catódico de 500cm2, o espelho não ficará contaminado. É adicionada uma barreira de luz entre o cátodo e o espelho.

3.2 Princípio básico de funcionamento do laser de CO2

Como se pode ver na Figura 2, o diagrama ilustra os níveis de energia molecular responsáveis pela geração do laser num laser de CO2.

O processo de excitação do laser de CO2, como se pode ver na Figura 2, envolve principalmente três gases: CO2, nitrogénio e hélio. O CO2 é o gás que produz radiação laserenquanto o azoto e o hélio servem de gases auxiliares.

O hélio tem dois objectivos: acelera o processo de relaxamento térmico do nível 010, o que ajuda na extração dos níveis 100 e 020 e facilita a transferência efectiva de calor.

A introdução de nitrogénio facilita principalmente a transferência de energia no laser de CO2, contribuindo significativamente para a acumulação de partículas nos níveis de energia superiores do laser de CO2 e para a produção de lasers de alta potência e alta eficiência.

A bomba utiliza uma excitação contínua de energia CC. O seu princípio de alimentação CC envolve a transformação da tensão CA ligada através de um transformador e, em seguida, a retificação e filtragem da alta tensão para a aplicar ao tubo laser.

O laser de CO2 é um laser de alta eficiência que minimiza os danos no meio de trabalho. Emite um laser invisível com um comprimento de onda de 10,6 μm, o que o torna um laser ideal.

De acordo com as condições de funcionamento do gás, pode ser dividido em tipos fechados e de circulação. Com base no método de excitação, pode ser dividido em excitação eléctrica, excitação química, excitação térmica, excitação ótica e excitação nuclear. Quase todos os lasers de CO2 utilizados em medicina são excitados eletricamente.

O princípio básico de funcionamento do laser de CO2 é semelhante ao de outros lasers moleculares, sendo o processo de emissão estimulada bastante complexo.

A molécula tem três movimentos diferentes: o movimento dos electrões no interior da molécula, que determina o estado de energia eletrónica da molécula; as vibrações dos átomos no interior da molécula, ou seja, os átomos oscilam periodicamente em torno das suas posições de equilíbrio, determinando o estado de energia vibracional da molécula; e a rotação da molécula, ou seja, a rotação contínua da molécula no espaço como um todo, determinando o estado de energia rotacional da molécula.

Os movimentos moleculares são extremamente complexos, daí a complexidade dos níveis de energia.

Geração de laser no laser de CO2: No tubo de descarga, é normalmente introduzida uma corrente contínua de várias dezenas a centenas de miliamperes.

Durante a descarga, as moléculas de azoto no gás misto dentro do tubo de descarga são excitadas devido à colisão de electrões. As moléculas de azoto excitadas colidem então com as moléculas de CO2.

A molécula de N2 transfere a sua energia para a molécula de CO2, fazendo com que a molécula de CO2 transite de um nível de energia mais baixo para um nível mais alto, resultando numa inversão de população e, consequentemente, na geração de laser.

3.3 Vantagens e desvantagens dos lasers de CO2

Em comparação com outros lasers, os lasers de CO2 têm as seguintes vantagens e desvantagens:

Vantagens:

Apresentam uma direccionalidade, monocromaticidade e estabilidade de frequência superiores. Dada a baixa densidade do gás, é difícil atingir uma elevada densidade de partículas excitadas, pelo que a densidade de energia de saída de um refletor de CO2 laser de gás é geralmente inferior ao de um laser de estado sólido.

Desvantagens:

Embora a eficiência de conversão de energia dos lasers de CO2 seja bastante elevada, não excederá 40%. Isto significa que mais de 60% da energia é convertida em energia térmica do gás, resultando num aumento da temperatura. O aumento da temperatura do gás pode causar o despovoamento do nível superior do laser e a excitação térmica do nível inferior, o que diminui o número de inversões de partículas.

Além disso, um aumento da temperatura do gás pode causar um alargamento da linha espetral, levando a uma diminuição do coeficiente de ganho.

Especialmente, o aumento da temperatura do gás pode também causar a decomposição das moléculas de CO2, reduzindo a concentração de moléculas de CO2 no tubo de descarga. Estes factores podem diminuir a potência de saída do laser e até mesmo levar à "extinção térmica".

IV. Aplicações dos lasers de CO2

4.1 Aplicações militares

Nos últimos anos, o desenvolvimento constante dos lasers de CO2 tem sido notável nas aplicações militares. As armas laser, como um novo conceito, tornaram-se favorecidas no armamento do novo século devido às suas vantagens sobre as armas convencionais tradicionais, tais como alta velocidade, boa direccionalidade, alta densidade de energia e alta eficiência operacional.

As armas laser de alta energia estão a desempenhar um papel cada vez mais importante nas aplicações militares, representando a direção do futuro desenvolvimento de armamento. Estão preparadas para alterar profundamente o atual ambiente do campo de batalha e os modos de guerra, transformando profundamente a natureza dos futuros conflitos.

Os lasers aerodinâmicos de CO2 de alta energia com elevada potência de saída foram concebidos por vários países para o desenvolvimento de armas laser de alta energia.

Uma caraterística básica da defesa contra mísseis a laser, ou tática anti-míssil a laser, é a utilização de lasers de alta energia que viajam à velocidade da luz para destruir mísseis ou outros objectos voadores que se movem à velocidade do som.

Podemos afirmar com segurança que esta área é dominada pelos lasers de CO2 devido às suas vantagens significativas.

Atualmente, o exército está a adotar pequenos sistemas anti-míssil laser terrestres, enquanto a força aérea está a utilizar sistemas anti-míssil laser aéreos e a marinha está a utilizar sistemas anti-míssil laser navais, todos eles utilizando lasers de CO2 de alta energia.

As principais características das futuras armas laser de CO2 são a potência ultra-alta e a elevada portabilidade. Os lasers de alta energia serão uma componente crucial dos futuros sistemas de combate, contribuindo para a contra-vigilância, a proteção ativa, a defesa aérea e a desminagem.

A elevada portabilidade aumentará consideravelmente as capacidades de combate dos soldados individuais, maximizando o papel de cada soldado, embora esta ideia seja atualmente teórica. As armas laser de vários países estão a ser desenvolvidas nesta direção.

Prevê-se que as futuras armas laser de CO2 evoluam no sentido de uma elevada funcionalidade, portabilidade e eficiência letal. Como mostra a Figura 3:

4.2 Aplicações médicas

Nos últimos 20 anos, a tecnologia laser avançou rapidamente no domínio da medicina, curando eficazmente muitas doenças e perturbações congénitas.

Os lasers de CO2 de feixe livre são utilizados em cirurgias, frequentemente sem contacto com o tecido cutâneo, proporcionando várias vantagens em relação às cirurgias convencionais, tais como a redução dos danos mecânicos, o aumento da proteção dos tecidos circundantes e a manutenção de condições assépticas mais facilmente.

Em comparação com outras cirurgias a laser, o bisturi a laser de CO2 tem um poder de corte mais forte, um coeficiente de absorção de tecido mais elevado e uma concentração de penetração de tecido mais pequena (aproximadamente 0,23 mm). Isto faz com que seja menos provável que danifique as artérias durante a cirurgia, levando à utilização generalizada de lasers contínuos de CO2 para tratamento cirúrgico clínico.

No entanto, os danos causados pelos lasers contínuos de CO2 nos tecidos em aplicações clínicas não são selectivos, resultando frequentemente em efeitos secundários como cicatrizes na pele após a cirurgia. O corte ou vaporização de lesões pode também danificar os tecidos normais em graus variáveis, tornando-o inadequado para cirurgias com requisitos elevados. Este facto limita significativamente a aplicação futura dos lasers de CO2 em medicina.

Em 1983, Aderson e Parrish propuseram o princípio da "fototermólise selectiva" para um tratamento a laser não prejudicial.

A ideia essencial é que, quando o laser atravessa o tecido normal para atingir a lesão alvo, o coeficiente de absorção do laser pela lesão deve ser superior ao do tecido normal - quanto maior for a diferença, melhor - para evitar danificar o tecido normal ao destruir a lesão alvo.

O tempo de relaxamento térmico do tecido alvo deve ser superior à largura do impulso ou ao tempo de ação do laser, evitando que o calor se espalhe para o tecido normal circundante durante o processo de aquecimento do laser.

Com base no princípio da "fototermólise selectiva", surgiram nos anos 90 dispositivos médicos de impulsos de alta energia, representados por máquinas de tratamento com laser de CO2 ultrapulsado.

Estes dispositivos têm sido aplicados com sucesso, permitindo um progresso revolucionário em aplicações de elevada exigência, dominando especialmente o domínio da cosmética a laser. As perspectivas de desenvolvimento são muito vastas.

Os lasers de CO2 ultra-pulsados utilizam tecnologia de impulsos avançada e tecnologia de controlo de potência PWM. Estas não só aumentam rapidamente o pico de potência de saída do laser, fornecendo energia suficiente ao tecido alvo, como também controlam com precisão a largura e a frequência de repetição de cada impulso através de sinais PWM.

Ao calcular o tempo de relaxamento térmico do tecido alvo, o controlo da largura do impulso pode alcançar resultados cirúrgicos óptimos. Por exemplo, o tempo de relaxamento térmico dos capilares é de cerca de 10 μs, o que requer uma largura de impulso inferior a 10 μs; o tempo de relaxamento térmico do tecido cutâneo é de aproximadamente 1 ms, o que requer uma largura de impulso inferior a 1 ms para um dispositivo laser utilizado para a renovação da superfície da pele e a remoção de rugas.

A diferença mais significativa entre os dispositivos laser modernos e os de há mais de uma década reside no controlo preciso da largura do impulso, que garante fundamentalmente a segurança do tratamento laser moderno.

As máquinas de tratamento a laser CO2 ultra-pulso não só partilham as características comuns dos bisturis a laser CO2 contínuos, como também têm as suas vantagens. Podem emitir lasers pulsados de alta energia e alta frequência de repetição, cumprindo os requisitos operacionais da "fototermólise selectiva a laser".

Podem remover rápida e eficazmente os tecidos da lesão alvo, minimizando os danos do laser nos tecidos normais e aumentando significativamente a precisão e a segurança das clínicas médicas.

A prática clínica demonstrou que, ao efetuar a mesma cirurgia, o potência do laser utilizada pelos lasers pulsados é muito inferior à dos lasers contínuos.

Por conseguinte, a reação dos tecidos causada pela cirurgia a laser é mais ligeira, os danos nos tecidos circundantes são menores, o tempo é mais curto e é produzido menos fumo durante o tratamento, proporcionando um campo visual claro.

Os lasers de CO2 ultrapulsados têm sido amplamente utilizados em Otorrinolaringologia, Ginecologia, Neurocirurgia, Cirurgia Geral e Estética.

A Lumenis, a empresa que introduziu a Bridge Therapy, investigou e produziu vários dispositivos de tratamento com laser de CO2, como a série NovaPulse, para utilização em otorrinolaringologia e estética.

Outros exemplos incluem o dispositivo cirúrgico MODEL CTL1401 produzido pela empresa polaca CTL e o GL-Ⅲ da japonesa NANO LASER, um dispositivo de tratamento a laser de CO2 para cirurgia oral.

4.3 Aplicações industriais

(1) CO2 Corte a laser Tecnologia

A tecnologia de corte a laser é amplamente utilizada no processamento de materiais metálicos e não metálico materiais. Reduz significativamente o tempo de processamento, diminui os custos e melhora a qualidade das peças de trabalho.

O corte a laser é conseguido através da energia de alta densidade de potência produzida após a focalização do laser.

Em comparação com os tradicionais processamento de chapas metálicas o corte a laser oferece uma qualidade de corte superior, velocidade, flexibilidade (permitindo formas arbitrárias) e uma ampla adaptabilidade do material.

Em termos de corte de metaisO corte a laser de CO2 constitui o principal domínio do corte a laser de CO2. Atualmente, tendo em conta os factores económicos, as máquinas de corte a laser de alta potência são geralmente utilizadas para subcontratação em formato de processamento de estações.

Com o amadurecimento dos lasers de CO2 de média potência no mercado interno, vários chapa metálica as fábricas irão adquirir as suas próprias máquinas de corte a laser, o que conduzirá a um aumento substancial da procura.

O corte não metálico é aplicado no corte de moldes, corte de madeira e painéis de fibras de alta densidade e corte de plástico.

(2) Soldadura a laser CO2 Tecnologia

A soldadura a laser é um método de união de materiais, predominantemente utilizado para a ligação de materiais metálicos. Semelhante ao tradicional técnicas de soldaduraO sistema de ligação de dois componentes ou peças é obtido através da fusão do material na zona de ligação.

Dada a elevada concentração de energia laser, os processos de aquecimento e arrefecimento são incrivelmente rápidos.

Os materiais que são difíceis de processar com técnicas de soldadura normais, devido à sua fragilidade, elevada dureza ou forte flexibilidade, podem ser facilmente geridos com lasers.

Por outro lado, soldadura a laser não envolve qualquer contacto mecânico, o que facilita a garantia de que a zona de soldadura não se deforma sob tensão.

Ao fundir a mais pequena quantidade de material para obter ligações de liga, a qualidade da soldadura é muito melhorado e a produtividade aumenta.

A soldadura a laser oferece uma profunda cordão de soldadura e uma zona afetada pelo calor mínima, resultando numa qualidade superior.

Por exemplo, na soldadura de chapas finas de metal, os lasers de CO2 de média potência são adequados para soldar chapas finas de metal com uma espessura inferior a 1 mm, tais como chapas laminadas chapas de aço silício frequentemente utilizado em peças de automóveis, geradores, limpa para-brisas, motores de arranque, elevadores de vidros, etc.

Anteriormente, estas eram fixadas por perfuração e rebitagem, mas agora podem ser soldadas por laser.

A soldadura de baterias, em particular na produção de baterias de lítio - como a soldadura de separadores, a soldadura de válvulas de segurança, a soldadura de eléctrodos negativos, a soldadura de vedação de conchas - a soldadura a laser é o processo ideal, exigindo uma grande variedade e número de máquinas de soldadura a laser.

A procura de soldadura a laser em peças de instrumentos de precisão também está a aumentar, tais como o soldadura de aço inoxidável diafragmas e invólucros de instrumentos de aviação.

V. Estado atual da investigação e perspectivas futuras dos lasers de CO2

5.1 Estado atual da investigação dos lasers de CO2

Durante os quase 50 anos desde a sua criação, o laser de CO2 tem sido o foco da atenção humana. Este tipo de laser de gás funciona com gás CO2 como meio de trabalho. Os lasers de CO2 são uma categoria importante de lasers de gás.

As principais direcções de investigação actuais para os lasers de CO2 incluem:

1. Lasers de CO2 de alta eficiência.

Sem dúvida que, em comparação com os lasers de estado sólido, o seu rendimento é extremamente elevado. No entanto, globalmente, em relação ao próprio laser de CO2, a eficiência é ainda comparativamente baixa.

Em 1964, utilizando N2, foi alcançada uma eficiência de conversão de 3%; em 1965, utilizando uma mistura de gases CO2-N2-He, a eficiência de conversão atingiu 6%. Até à data, a eficiência mais elevada não ultrapassa os 60%.

Muitas empresas estão a investigar melhorias de eficiência. Por exemplo, a empresa americana Datong alcançou uma eficiência de cerca de 60% nos seus lasers de CO2.

2. Lasers de CO2 pequenos e multifuncionais.

A maioria dos lasers de CO2 actuais tem uma única função e só pode realizar uma tarefa muito específica. Sabemos que os lasers de CO2 utilizados nos grandes hospitais para a remoção de sardas e pêlos são bastante volumosos, mas as suas estruturas são fundamentalmente as mesmas. A utilização de lasers de CO2 multifuncionais resulta num menor volume físico e, relativamente, num preço muito mais baixo.

3. Lasers de CO2 de alta potência.

A alta potência sempre foi um objetivo militar. A este respeito, o nível de investigação de algumas empresas militares nacionais é relativamente atrasado. A Força Aérea dos EUA foi a primeira a começar a investigar lasers de CO2 de alta potência.

Em 1975, no décimo primeiro aniversário do nascimento do laser de CO2, a Força Aérea dos EUA desenvolveu um laser de CO2 com um nível de potência que atingia os 30KW. Em 1988, a potência de saída do laser de CO2 investigado atingiu 380KW.

De acordo com alguns dados divulgados pelo exército dos EUA, a potência de saída dos lasers de CO2 desenvolvidos atingiu agora o nível de dezenas de megawatts.

4. Investigação no domínio da tecnologia industrial.

Os lasers de CO2 dominam em processamento a laserO laser é amplamente utilizado para soldadura, corte, tratamento térmico e limpeza, entre outros. A qualidade e a potência de saída do laser têm requisitos muito precisos.

Por conseguinte, os lasers industriais de CO2 precisam de ter feixes laser de alta qualidade e uma potência de saída estável.

As aplicações do laser já penetraram em domínios como a ótica, a medicina, a energia nuclear, a astronomia, a geografia e a oceanografia, marcando o desenvolvimento da nova revolução tecnológica.

Se compararmos a história do desenvolvimento dos lasers com a história da eletrónica e da aviação, temos de perceber que ainda estamos na fase inicial do desenvolvimento dos lasers e que se avizinha um futuro ainda mais excitante e promissor.

5.2 Perspectivas futuras dos lasers de CO2

O futuro dos lasers de CO2 evoluirá nas seguintes direcções:

(1) Laser de CO2 de fluxo transversal de alta potência.

Este laser CO2 de fluxo transversal de alta potência é utilizado para processamento laser e tratamento térmico, com uma estrutura integrada em forma de caixa. A caixa superior da unidade aloja uma câmara de descarga integrada, um permutador de calor, um sistema de ventilação, uma guia de entrada/saída e um ressoador ótico.

A caixa inferior contém a fonte de energia do laser, o sistema de carga e descarga de gás, a bomba de vácuo, a caixa da resistência de lastro e a caixa de controlo.

Em comparação com a tecnologia existente, apresenta uma estrutura compacta, fácil instalação, manutenção, elevada eficiência de trabalho e pode ser miniaturizada.

As suas principais aplicações são a soldadura de ferramentas diamantadas, engrenagens para automóveis, geradores de gás para airbags de automóveis, laser endurecimento de superfícies e processos de sobreposição, e aplicações únicas como a reparação de superfícies de peças petroquímicas e o endurecimento por fusão de superfícies de rolos de aço.

(2) Laser de CO2 com Q-Switched acústico-ótico.

Para satisfazer os requisitos de aplicação em domínios como o alcance laser, a deteção ambiental, as comunicações espaciais e a investigação dos mecanismos de interação laser-material, foi desenvolvido um laser de CO2 Q-switched acústico-ótico.

Utilizando as equações de taxa dos lasers de impulsos Q-switched, os principais parâmetros técnicos da saída do laser foram analisados teoricamente, calculados e depois verificados experimentalmente.

A frequência de repetição de impulsos do laser é de 1 Hz a 50 kHz. No funcionamento a 1 kHz, a largura do impulso do laser de saída é de 180 ns e a potência de pico é de 4062 W, o que é basicamente consistente com os cálculos teóricos.

Os resultados mostram que é possível obter uma frequência de repetição elevada, uma largura de impulso estreita e uma potência de pico elevada de um laser de CO2 de pequenas dimensões através da seleção óptima do cristal acústico-ótico (AO) e de uma conceção razoável do ressoador.

A sintonização do comprimento de onda e a saída codificada destes lasers podem ser obtidas através da conceção da seleção da linha de grelha e do controlo do sinal TTL.

(3) Laser de CO2 compacto de longa duração com guia de ondas excitado por RF.

Para alargar a aplicação dos lasers de CO2 no processamento industrial e na utilização militar, foi desenvolvido um laser de CO2 compacto de guia de ondas excitado por RF de longa duração, utilizando perfis extrudidos de liga de alumínio para o corpo do laser, indutância de disco em vez da indutância tradicional de fio enrolado e um processo de selagem totalmente metálico.

Pode emitir continuamente ou por impulsos a uma frequência de modulação não superior a 20kHz, com uma potência máxima de saída de 30W, uma vida útil superior a 1500 horas e uma vida útil de armazenamento superior a 1,5 anos.

Os resultados mostram que este laser possui uma estrutura compacta, potência de saída estável, longa vida útil e pode funcionar em modos de modulação contínua e de impulsos. Não só pode processar vários materiais como também ser utilizado em aplicações militares.

(4) Novo laser de CO2 TEA portátil.

Este é um novo laser portátil de CO2 de pressão atmosférica com excitação transversal. O laser é alimentado por quatro pilhas recarregáveis nº 5 e pode funcionar continuamente durante 1 hora a uma taxa de repetição de 1 Hz.

O tamanho da unidade laser completa (incluindo a fonte de alimentação e o sistema de controlo) é de 200 nm × 200 mm × 360 mm, e o seu peso é inferior a 8 kg. O laser utiliza a preionização corona ultravioleta para uma descarga estável e uniforme.

Em condições de oscilação livre, a energia de saída do impulso laser atinge 35 mJ e a largura do impulso de saída é de 70 ns.

(5) Laser de CO2 contínuo de alta potência.

Em resposta à questão das fissuras e da deformação das lâminas no sistema contínuo de revestimento a laser de pás de turbinas de motores de helicópteros, foi adotado um novo esquema de controlo de potência num laser de CO2 de fluxo transversal contínuo de 5 kW.

Através de software e controlos relacionados, foi possível obter uma saída de potência laser pulsada, ultrapassando os problemas de custo e estabilidade provocados pelas fontes de alimentação comutadas de alta potência.

A frequência de modulação de impulsos pode atingir 5 Hz e o ciclo de trabalho de modulação pode variar entre 5% e 100%.

Numa experiência de revestimento com pó de liga Stellite X-40 na superfície da liga K403 das pás do motor, foi utilizada uma potência de pico de 4 kW, uma frequência de repetição de impulsos de 4 Hz e um ciclo de trabalho de 20%.

Os resultados mostraram que a zona afetada pelo calor foi reduzida em 50% após o revestimento, a dureza aumentou em 5%, o desempenho da ligação interfacial foi comparável ao do material de base e não houve fissuras no revestimento nem deformação da lâmina.