Você já se perguntou como os lasers revolucionaram tudo, desde a cirurgia até o corte de metal? Este artigo mergulha no fascinante mundo dos lasers de CO2, explicando seus princípios, estrutura e diversas aplicações. Ao ler, você descobrirá como essas poderosas ferramentas funcionam e seu impacto em vários setores. Prepare-se para explorar as maravilhas da tecnologia do laser de CO2!
Em 1964, Patel obteve saída contínua de laser em comprimentos de onda próximos a 10,4 mícrons e 9,4 mícrons em descarga de gás CO2, dando origem ao primeiro laser molecular de CO2 do mundo.
Ele tem uma potência significativa e alta eficiência de conversão de energia.
Ele utiliza a transição entre os níveis de energia vibracional-rotacional das moléculas de CO2, o que resulta em um espectro rico. Há dezenas de linhas espectrais para saída de laser perto de 10 mícrons. Sua ampla aplicação no setor industrial, militar, médico e de pesquisa científica trouxe muitas conveniências para nossas vidas.
Em 1966, surgiu o laser de CO2 aerodinâmico, chamando muita atenção para a tecnologia do laser de CO2. A introdução da aerodinâmica na tecnologia a laser abriu amplas perspectivas para o uso de lasers de CO2.
Com o avanço da ciência e da tecnologia, a tecnologia de laser em todo o mundo também se desenvolveu de forma correspondente. Atualmente, o laser de dióxido de carbono é um dos lasers com alta potência de saída contínua. Seu desenvolvimento inicial e produtos comerciais maduros têm sido amplamente utilizados em áreas como processamento de materiais, uso médico, armas militares e medição ambiental.
No desenvolvimento e na aplicação de lasers, a criação e a aplicação de lasers de CO2 ocorreram mais cedo e com mais frequência. Já no final da década de 1970, os lasers de CO2 eram importados diretamente do exterior para processamento industrial e aplicações médicas.
Desde o final da década de 1980, os lasers de CO2 têm sido amplamente introduzidos e aplicados no campo do processamento de materiais.
Este artigo apresenta principalmente os princípios básicos e a estrutura do laser de CO2 e se concentra na aplicação do laser de CO2 sob três aspectos. Por fim, ele apresenta o status atual da pesquisa e as perspectivas futuras do laser de CO2.
A produção de lasers requer três condições:
(1) Um meio de ganho que fornece amplificação como material de trabalho do laser, e suas partículas ativadas (átomos, moléculas ou íons) têm uma estrutura de nível de energia adequada para emissão estimulada;
(2) Uma fonte de excitação externa que bombeia partículas de níveis de energia mais baixos para níveis mais altos, causando uma inversão do número de partículas entre os níveis de energia superior e inferior do laser;
(3) Um ressonador óptico que amplia o comprimento de trabalho do meio ativado, controla a direção do feixe de luz e seleciona a frequência da luz de emissão estimulada para melhorar a monocromaticidade.
Em comparação com as fontes de luz comuns, os lasers têm quatro características principais: excelente direcionalidade, brilho extremamente alto, boa monocromaticidade e alta coerência.
Um dispositivo de laser é um mecanismo capaz de emitir lasers. O primeiro amplificador quântico de micro-ondas foi feito em 1954, produzindo um feixe de micro-ondas altamente coerente.
Em 1958, A.L. Schawlow e C.H. Townes estenderam os princípios dos amplificadores quânticos de micro-ondas para a faixa de frequência óptica e delinearam os métodos de geração de lasers.
Em 1960, T.H. Maiman e sua equipe construíram o primeiro laser de rubi. Em 1961, um laser de hélio-neon foi produzido por A. Javan e outros e, em 1962, R.N. Hall e sua equipe criaram um laser semicondutor de arseneto de gálio. Desde então, os tipos de lasers têm se expandido continuamente.
Com exceção dos lasers de elétrons 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, de modo 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 depois que o meio de trabalho absorve a energia externa, criando condições para alcançar e manter a inversão do número de partículas. Os métodos de excitação incluem excitação óptica, excitação elétrica, excitação química e excitação de energia nuclear.
O meio de trabalho com um nível de energia metaestável permite que a radiação estimulada predomine, obtendo assim a amplificação da luz. Os componentes comuns em um dispositivo a laser também incluem uma cavidade ressonante.
Entretanto, a cavidade ressonante (consulte Cavidade ressonante óptica) não é um componente essencial. A cavidade ressonante pode alinhar a frequência, a fase e a direção dos fótons dentro da cavidade, proporcionando ao laser excelente direcionalidade e coerência.
Além disso, ele pode reduzir efetivamente o comprimento do material de trabalho e ajustar o modo do laser produzido alterando o comprimento da cavidade ressonante. Portanto, a maioria dos dispositivos a laser tem uma cavidade ressonante.
Há muitos tipos de lasers. A seguir, vamos categorizá-los e apresentá-los com base no material de trabalho do laser, no método de excitação e no modo de operação.
(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 atômico, lasers de gás iônico, 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 íons metálicos de terras raras;
④ Lasers semicondutores;
⑤ Lasers de elétrons livres.
(2) Pelo método de excitação
① Lasers bombeados opticamente;
② Lasers eletricamente excitados;
③ Lasers químicos;
Lasers com bombeamento nuclear.
(3) Por modo de operação
Devido aos diferentes materiais de trabalho, métodos de excitação e finalidades de aplicação dos lasers, seus modos de operação e estados de funcionamento também variam. Eles podem ser divididos em vários tipos principais:
① Lasers contínuos;
② Lasers de pulso único;
③ Lasers de pulso repetitivo;
④ Lasers modulados;
⑤ Lasers com bloqueio de modo;
⑥ Lasers monomodo e com frequência estável;
⑦ Lasers sintonizáveis.
Conforme mostrado na Figura 1, é representada uma estrutura típica de laser de CO2. Os dois espelhos que formam a cavidade ressonante do laser de CO2 são colocados em um suporte de cavidade ajustável. O método mais simples é fixar diretamente os espelhos nas duas extremidades do tubo de descarga.
Estrutura básica:
① Tubo de laser
Essa é a parte mais importante do laser. Geralmente é composta de três partes (conforme mostrado na Figura 1): o espaço de descarga (tubo de descarga), a camisa de resfriamento de água (tubo) e o reservatório de gás.
O tubo de descarga é normalmente feito de vidro duro e geralmente emprega uma estrutura de cilindro em cascata. Ele afeta a saída do laser e a potência da saída do laser. O comprimento do tubo de descarga é proporcional à potência de saída.
Em uma determinada faixa de comprimento, a potência de saída por metro de tubo de descarga aumenta com o comprimento total.
De modo geral, a espessura do tubo de descarga não afeta a potência de saída. O tubo da camisa de resfriamento de água, assim como o tubo de descarga, é feito de vidro duro.
Sua função é resfriar o gás de trabalho, estabilizando a potência de saída. O tubo de armazenamento de gás é conectado às duas extremidades do tubo de descarga, o que significa que uma extremidade do tubo de armazenamento de gás tem um pequeno orifício conectado ao tubo de descarga e a outra extremidade é conectada ao tubo de descarga por meio de um tubo de gás de retorno em espiral.
Sua função é permitir que o gás circule dentro do tubo de descarga, facilitando a troca constante de gás.
② Ressonador óptico
O ressonador óptico é composto por um espelho de reflexão total e um espelho de reflexão parcial, constituindo uma parte crucial do laser de CO2.
O ressonador óptico normalmente tem três funções: controlar a direção da propagação do feixe de luz, aprimorando a monocromaticidade; selecionar um modo; estender o comprimento de trabalho do meio ativo.
O ressonador óptico do laser mais simples e mais comumente usado é composto por dois espelhos planos (ou esféricos) colocados um em frente ao outro. O ressonador do laser de CO2 geralmente usa uma cavidade côncava plana, com o espelho de reflexão feito de vidro óptico K8 ou quartzo óptico, processado em um espelho côncavo com um grande raio de curvatura.
Um filme de metal altamente reflexivo - filme de ouro - é depositado na superfície do espelho, atingindo uma taxa de reflexão de 98,8% para luz com comprimento de onda de 10,6μm, e tem propriedades químicas estáveis.
Sabemos que a luz emitida pelo dióxido de carbono é infravermelha, portanto, o espelho precisa ser capaz de transmitir luz infravermelha. Como o vidro óptico comum é opaco à luz infravermelha, é necessário um pequeno orifício no centro do espelho de reflexão total, que é então vedado com um material que pode transmitir um laser de 10,6 μm.
Isso veda o gás e permite que uma parte do laser no ressonador saia da cavidade por esse pequeno orifício, formando um feixe de laser.
③ Fonte de alimentação e bomba
A fonte da bomba fornece energia para causar 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, usando um cátodo frio, e o cátodo é feito em formato cilíndrico com molibdênio ou níquel.
Com uma corrente de trabalho de 30-40 mA e uma área de cilindro catódico de 500 cm2, o espelho não ficará contaminado. Uma barreira de luz é adicionada entre o cátodo e o espelho.
Conforme mostrado na Figura 2, o diagrama ilustra os níveis de energia molecular responsáveis pela geração do laser em um laser de CO2.
O processo de excitação do laser de CO2, como pode ser visto na Figura 2, envolve principalmente três gases: CO2, nitrogênio e hélio. O CO2 é o gás que produz radiação laserenquanto o nitrogênio e o hélio servem como gases auxiliares.
O hélio tem duas finalidades: acelera o processo de relaxamento térmico do nível 010, o que ajuda na extração dos níveis 100 e 020 e facilita a transferência efetiva de calor.
A introdução do nitrogênio facilita principalmente a transferência de energia no laser de CO2, contribuindo significativamente para o acúmulo de partículas nos níveis superiores de energia do laser de CO2 e para a saída de lasers de alta potência e alta eficiência.
A bomba emprega excitação contínua de energia CC. Seu princípio de alimentação CC envolve a transformação da tensão CA conectada usando um transformador e, em seguida, a retificação e a filtragem da alta tensão para aplicá-la ao tubo do laser.
O laser de CO2 é um laser de alta eficiência que minimiza os danos ao meio de trabalho. Ele emite um laser invisível com um comprimento de onda de 10,6 μm, o que o torna um laser ideal.
De acordo com a condição de trabalho do gás, ele pode ser dividido em tipos fechados e de circulação. Com base no método de excitação, ele pode ser dividido em excitação elétrica, excitação química, excitação térmica, excitação óptica e excitação nuclear. Quase todos os lasers de CO2 usados na medicina são excitados eletricamente.
O princípio básico de operação do laser de CO2 é semelhante ao de outros lasers moleculares, sendo que o processo de emissão estimulada é bastante complexo.
A molécula tem três movimentos diferentes: o movimento dos elétrons dentro da molécula, que determina o estado de energia eletrônica da molécula; as vibrações dos átomos dentro da molécula, ou seja, os átomos oscilam periodicamente em torno de 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, por isso a complexidade dos níveis de energia.
Geração de laser no laser de CO2: No tubo de descarga, normalmente é introduzida uma corrente CC de várias dezenas a centenas de miliamperes.
Durante a descarga, as moléculas de nitrogênio no gás misto dentro do tubo de descarga são excitadas devido à colisão de elétrons. As moléculas de nitrogênio excitadas colidem com as moléculas de CO2.
A molécula de N2 transfere sua energia para a molécula de CO2, fazendo com que a molécula de CO2 faça a transição de um nível de energia mais baixo para um mais alto, resultando em uma inversão de população e, consequentemente, na geração de laser.
Em comparação com outros lasers, os lasers de CO2 têm as seguintes vantagens e desvantagens:
Vantagens:
Eles apresentam direcionalidade, monocromaticidade e estabilidade de frequência superiores. Dada a baixa densidade do gás, é difícil obter uma alta densidade de partículas excitadas, portanto, a saída de densidade de energia de um sistema de CO2 laser de gás é geralmente menor do que o de um laser de estado sólido.
Desvantagens:
Embora a eficiência de conversão de energia dos lasers de CO2 seja bastante alta, ela não excederá 40%. Isso significa que mais de 60% da energia é convertida em energia térmica do gás, resultando em um aumento de 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 na temperatura do gás pode causar o alargamento da linha espectral, levando a uma diminuição do coeficiente de ganho.
Em especial, o aumento da temperatura do gás também pode causar a decomposição das moléculas de CO2, reduzindo a concentração de moléculas de CO2 no tubo de descarga. Esses fatores podem diminuir a potência de saída do laser e até mesmo levar à "extinção térmica".
Nos últimos anos, o desenvolvimento constante dos lasers de CO2 tem sido notável em aplicações militares. As armas a laser, como um novo conceito, tornaram-se favorecidas no armamento do novo século devido às suas vantagens sobre as armas convencionais tradicionais, como alta velocidade, boa direcionalidade, alta densidade de energia e alta eficiência operacional.
As armas a laser de alta energia estão desempenhando um papel cada vez mais importante em aplicações militares, representando a direção do desenvolvimento de armamentos futuros. Elas estão preparadas para mudar profundamente o ambiente atual do campo de batalha e os modos de guerra, transformando profundamente a natureza dos conflitos futuros.
Lasers aerodinâmicos de CO2 de alta energia com alta potência de saída foram projetados por vários países para o desenvolvimento de armas a laser de alta energia.
Uma característica básica da defesa antimísseis a laser, ou táticas antimísseis a laser, é o uso de lasers de alta energia que viajam na velocidade da luz para destruir mísseis ou outros objetos voadores que se movem na velocidade do som.
Podemos dizer com segurança que essa área é dominada pelos lasers de CO2 devido às suas vantagens significativas.
Atualmente, o exército está adotando pequenos sistemas antimísseis a laser terrestres, enquanto a força aérea está usando sistemas antimísseis a laser aerotransportados e a marinha está usando sistemas antimísseis a laser embarcados, todos eles usando lasers de CO2 de alta energia.
As principais características das futuras armas a laser de CO2 são a potência ultra-alta e a alta portabilidade. Os lasers de alta energia serão um componente essencial dos futuros sistemas de combate, contribuindo para a vigilância, a proteção ativa, a defesa aérea e a remoção de minas.
A alta portabilidade aumentará muito a capacidade de combate de soldados individuais, maximizando a função de cada soldado, embora essa ideia seja teórica no momento. Armas a laser de vários países estão sendo desenvolvidas nesse sentido.
Espera-se que as futuras armas a laser de CO2 evoluam para alta funcionalidade, portabilidade e eficiência letal. Conforme mostrado na Figura 3:
Nos últimos 20 anos, a tecnologia a laser avançou rapidamente no campo da medicina, curando com eficácia muitas doenças e distúrbios congênitos.
Os lasers de CO2 de feixe livre são usados em cirurgias, geralmente sem contato com o tecido da pele, proporcionando várias vantagens em relação às cirurgias convencionais, como a redução de danos mecânicos, o aumento da proteção dos tecidos circundantes e a manutenção de condições assépticas com mais facilidade.
Em comparação com outras cirurgias a laser, o bisturi a laser de CO2 tem maior poder de corte, maior coeficiente de absorção de tecido e menor concentração de penetração de tecido (aproximadamente 0,23 mm). Isso diminui a probabilidade de danificar as artérias durante a cirurgia, o que levou ao uso generalizado de lasers contínuos de CO2 para tratamento cirúrgico clínico.
No entanto, os danos causados pelos lasers contínuos de CO2 aos tecidos em aplicações clínicas não são seletivos, resultando frequentemente em efeitos colaterais, como cicatrizes na pele após a cirurgia. O corte ou a vaporização de lesões também pode danificar os tecidos normais em graus variados, o que o torna inadequado para cirurgias com altas exigências. Isso limita significativamente a aplicação futura dos lasers de CO2 na medicina.
Em 1983, Aderson e Parrish propuseram o princípio da "fototermólise seletiva" para o tratamento a laser não prejudicial.
A ideia essencial é que, quando o laser passa pelo tecido normal para atingir a lesão-alvo, o coeficiente de absorção da lesão pelo laser deve ser maior do que o do tecido normal - quanto maior a diferença, melhor - para evitar danos ao tecido normal ao destruir a lesão-alvo.
O tempo de relaxamento térmico do tecido-alvo deve ser maior do que a largura do pulso ou o 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 seletiva", os dispositivos médicos de pulso de alta energia representados pelas máquinas de tratamento com laser de CO2 ultrapulso surgiram na década de 1990.
Esses dispositivos foram aplicados com sucesso, permitindo um progresso revolucionário em aplicações de alta exigência, especialmente dominando o campo de cosméticos a laser. As perspectivas de desenvolvimento são muito amplas.
Os lasers de CO2 de ultrapulso empregam tecnologia de pulso avançada e tecnologia de controle de potência PWM. Eles não apenas aumentam rapidamente a potência de pico do laser, fornecendo energia suficiente para o tecido-alvo, mas também controlam com precisão a largura e a frequência de repetição de cada pulso por meio de sinais PWM.
Ao calcular o tempo de relaxamento térmico do tecido-alvo, o controle da largura do pulso pode alcançar resultados cirúrgicos ideais. Por exemplo, o tempo de relaxamento térmico dos capilares é de cerca de 10 μs, o que exige uma largura de pulso menor que 10 μs; o tempo de relaxamento térmico do tecido da pele é de aproximadamente 1 ms, o que exige uma largura de pulso menor que 1 ms para um dispositivo a laser usado para o resurfacing da pele e a remoção de rugas.
A diferença mais significativa entre os dispositivos a laser modernos e os de mais de uma década atrás está no controle preciso da largura do pulso, que garante fundamentalmente a segurança do tratamento a laser moderno.
As máquinas de tratamento a laser de CO2 ultrapulsado não apenas compartilham as características comuns dos bisturis a laser de CO2 contínuo, mas também têm suas vantagens. Elas podem emitir lasers pulsados de alta energia e alta frequência de repetição, atendendo aos requisitos operacionais da "fototermólise seletiva a laser".
Eles podem remover de forma rápida e eficaz os tecidos da lesão-alvo, minimizando os danos do laser aos tecidos normais e aumentando significativamente a precisão e a segurança das clínicas médicas.
A prática clínica tem demonstrado que, ao realizar a mesma cirurgia, o potência do laser usado pelos lasers pulsados é muito menor do que o dos lasers contínuos.
Portanto, a reação tecidual causada pela cirurgia a laser é mais leve, o dano aos tecidos circundantes é menor, o tempo é mais curto e menos fumaça é produzida 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, pesquisou e produziu vários dispositivos de tratamento com laser de CO2, como a série NovaPulse, para uso em otorrinolaringologia e estética.
Outros exemplos incluem o dispositivo cirúrgico MODEL CTL1401 produzido pela empresa CTL da Polônia e o GL-Ⅲ da NANO LASER do Japão, um dispositivo de tratamento a laser de CO2 para cirurgia oral.
(1) CO2 Corte a laser Tecnologia
A tecnologia de corte a laser é amplamente utilizada no processamento de materiais metálicos e não metálico materiais. Ele reduz significativamente o tempo de processamento, diminui os custos e melhora a qualidade das peças de trabalho.
O corte a laser é obtido pela energia de alta densidade de potência produzida após a focalização do laser.
Em comparação com o tradicional processamento de chapas metálicas métodos, o corte a laser oferece qualidade de corte superior, velocidade, flexibilidade (permitindo formas arbitrárias) e ampla adaptabilidade de materiais.
Em termos de corte de metaisO corte a laser de CO2 é o principal domínio do corte a laser de CO2. Atualmente, considerando os fatores econômicos, as máquinas de corte a laser de alta potência são geralmente empregadas para subcontratação no formato de processamento de estação.
Com o amadurecimento dos lasers de CO2 de média potência no mercado interno, vários chapa metálica As fábricas comprarão suas próprias máquinas de corte a laser, o que levará a um aumento substancial na demanda.
O corte não metálico é aplicado no corte de moldes de matrizes, corte de madeira e painéis de fibra de alta densidade e corte de plástico.
(2) Soldagem a laser de CO2 Tecnologia
A soldagem a laser é um método de união de materiais, usado principalmente para a conexão de materiais metálicos. Semelhante ao tradicional técnicas de soldagemO sistema de conexão de componentes é um sistema que conecta dois componentes ou peças por meio da fusão do material na área de conexão.
Devido à alta concentração de energia do laser, os processos de aquecimento e resfriamento são incrivelmente rápidos.
Os materiais que são difíceis de processar com técnicas de soldagem padrão, devido à sua fragilidade, alta dureza ou grande flexibilidade, podem ser facilmente gerenciados com lasers.
Por outro lado, soldagem a laser não envolve nenhum contato mecânico, o que facilita a garantia de que a área de soldagem não se deforme sob tensão.
Ao derreter a menor quantidade de material para obter conexões de liga, o qualidade da soldagem é bastante aprimorado e a produtividade é aumentada.
A soldagem a laser oferece uma profunda costura de solda e mínima zona afetada pelo calor, resultando em qualidade superior.
Por exemplo, na soldagem de chapas finas de metal, os lasers de CO2 de potência média são adequados para soldar chapas finas de metal com espessura inferior a 1 mm, como chapas laminadas chapas de aço silício frequentemente usado em peças de automóveis, geradores, limpadores de para-brisa, motores de arranque, levantadores de janelas, etc.
Anteriormente, elas eram fixadas por perfuração e rebitagem, mas agora podem ser soldadas por lasers.
A soldagem de baterias, especialmente na produção de baterias de lítio - como a soldagem de abas, a soldagem de válvulas de segurança, a soldagem de eletrodos negativos, a soldagem de vedação de conchas - a soldagem a laser é o processo ideal, exigindo uma grande variedade e número de máquinas de soldagem a laser.
A demanda por soldagem a laser em peças de instrumentos de precisão também está aumentando, como o soldagem de aço inoxidável diafragmas e carcaças de instrumentos de aviação.
Durante os quase 50 anos desde sua criação, o laser de CO2 tem sido o foco da atenção humana. Esse tipo de laser de gás opera usando gás CO2 como meio de trabalho. Os lasers de CO2 são uma categoria importante de lasers a gás.
As principais direções de pesquisa atuais para lasers de CO2 incluem:
1. Lasers de CO2 de alta eficiência.
Sem dúvida, em comparação com os lasers de estado sólido, sua eficiência é extremamente alta. Entretanto, em geral, em relação ao próprio laser de CO2, a eficiência ainda é comparativamente baixa.
Em 1964, com o uso de N2, foi alcançada uma eficiência de conversão de 3%; em 1965, com o uso de uma mistura de gases CO2-N2-He, a eficiência de conversão atingiu 6%. Até o momento, a maior eficiência não ultrapassa 60%.
Muitas empresas estão pesquisando melhorias na eficiência. Por exemplo, a empresa americana Datong alcançou uma eficiência de cerca de 60% em seus lasers de CO2.
2. Lasers de CO2 pequenos e multifuncionais.
A maioria dos lasers de CO2 atuais tem uma única função e só pode realizar uma tarefa muito específica. Sabemos que os lasers de CO2 usados em grandes hospitais para remover sardas e pelos são bastante volumosos, mas suas estruturas são fundamentalmente as mesmas. O uso de lasers de CO2 multifuncionais resulta em um volume físico menor e, relativamente, em um preço muito mais baixo.
3. Lasers de CO2 de alta potência.
A alta potência sempre foi uma busca militar. Nesse sentido, o nível de pesquisa de algumas empresas militares nacionais é relativamente atrasado. A Força Aérea dos EUA foi a primeira a começar a pesquisar 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 de 30 kW. Em 1988, a potência de saída do laser de CO2 pesquisado atingiu 380KW.
De acordo com alguns dados divulgados pelo exército dos EUA, a potência de saída dos lasers de CO2 desenvolvidos já atingiu o nível de dezenas de megawatts.
4. Pesquisa sobre tecnologia industrial.
Os lasers de CO2 predominam em processamento a laserO laser é amplamente utilizado para soldagem, corte, tratamento térmico e limpeza, entre outras coisas. A qualidade e a potência de saída do laser têm requisitos muito precisos.
Portanto, os lasers industriais de CO2 precisam ter feixes de laser de alta qualidade e potência de saída estável.
As aplicações do laser já penetraram em campos como óptica, medicina, energia nuclear, astronomia, geografia e oceanografia, marcando o desenvolvimento da nova revolução tecnológica.
Se compararmos a história do desenvolvimento do laser com a história da eletrônica e da aviação, devemos perceber que ainda estamos nos estágios iniciais do desenvolvimento do laser, e um futuro ainda mais empolgante e promissor está no horizonte.
O futuro dos lasers de CO2 evoluirá nas seguintes direções:
(1) Laser de CO2 de fluxo transversal de alta potência.
Esse laser de CO2 de fluxo transversal de alta potência é usado para processamento a laser e tratamento térmico, com uma estrutura integrada em forma de caixa. A caixa superior da unidade abriga uma câmara de descarga integrada, trocador de calor, sistema de ventilador, guia de entrada/saída e um ressonador óptico.
A caixa inferior contém a fonte de energia do laser, o sistema de carga e descarga de gás, a bomba de vácuo, a caixa do resistor de lastro e a caixa de controle.
Em comparação com a tecnologia existente, ela apresenta uma estrutura compacta, fácil instalação e manutenção, alta eficiência de trabalho e pode ser miniaturizada.
Suas principais aplicações são na soldagem de ferramentas de diamante, engrenagens automotivas, geradores de gás de airbag automotivo, laser endurecimento de superfícies e processos de sobreposição, além de aplicações exclusivas, como reparo de superfície de peças petroquímicas e endurecimento por fusão de superfície de rolos de aço.
(2) Laser de CO2 com Q-Switched acústico-óptico.
Para atender aos requisitos de aplicação em áreas como alcance a laser, detecção ambiental, comunicação espacial e pesquisa de mecanismos de interação laser-material, foi desenvolvido um laser de CO2 Q-switched acústico-óptico.
Usando as equações de taxa dos lasers de pulso Q-switched, os principais parâmetros técnicos da saída do laser foram analisados teoricamente, calculados e, em seguida, verificados experimentalmente.
A frequência de repetição de pulso do laser varia de 1 Hz a 50 kHz. Na operação de 1 kHz, a largura do pulso 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 uma alta frequência de repetição, uma largura de pulso estreita e uma saída de potência de pico elevada de um laser de CO2 de pequeno porte podem ser obtidas por meio da seleção ideal do cristal acústico-óptico (AO) e de um projeto de ressonador razoável.
O ajuste do comprimento de onda e a saída codificada desses lasers podem ser obtidos por meio do projeto de seleção da linha de grade e do controle de sinal TTL.
(3) Laser compacto de CO2 com guia de onda excitado por RF de longa duração.
Para ampliar a aplicação dos lasers de CO2 no processamento industrial e no uso militar, foi desenvolvido um laser de CO2 compacto de guia de ondas excitado por RF de longa duração, usando perfis extrudados de liga de alumínio para o corpo do laser, indutância de disco em vez da indutância tradicional de fio enrolado e um processo de vedação totalmente metálico.
Ele pode emitir uma saída contínua ou de pulso em uma frequência de modulação não superior a 20kHz, com uma potência máxima de saída de 30W, uma vida útil superior a 1.500 horas e uma vida útil de armazenamento superior a 1,5 anos.
Os resultados mostram que esse laser apresenta uma estrutura compacta, potência de saída estável, longa vida útil e pode funcionar nos modos de modulação contínua e de pulso. Além de poder processar vários materiais, ele também pode ser usado em aplicações militares.
(4) Novo laser portátil de CO2 TEA.
Este é um novo laser portátil de CO2 de pressão atmosférica com excitação transversal. O laser é alimentado por quatro baterias recarregáveis nº 5 e pode operar continuamente por 1 hora a uma taxa de repetição de 1 Hz.
O tamanho da unidade de laser completa (incluindo a fonte de alimentação e o sistema de controle) é de 200 nm × 200 mm × 360 mm, e seu peso é inferior a 8 kg. O laser usa preionização corona ultravioleta para uma descarga estável e uniforme.
Em condições de oscilação livre, a energia de saída do pulso do laser atinge 35 mJ e a largura do pulso de saída é de 70 ns.
(5) Laser de CO2 contínuo de alta potência.
Em resposta à questão das rachaduras e da deformação da lâmina no sistema contínuo de revestimento a laser de pás de turbina de motor de helicóptero, um novo esquema de controle de potência foi adotado em um laser de CO2 de fluxo transversal contínuo de 5 kW.
Por meio de software e controles relacionados, foi possível obter uma saída de potência de laser pulsada, superando os problemas de custo e estabilidade causados pelas fontes de alimentação de comutação de alta potência.
A frequência de modulação de pulso pode chegar a 5 Hz, e o ciclo de trabalho de modulação pode variar de 5% a 100%.
Em um experimento de revestimento de pó de liga Stellite X-40 na superfície de liga K403 das pás do motor, foi usada uma potência de pico de 4 kW, frequência de repetição de pulso de 4 Hz e 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 rachaduras no revestimento nem deformação da lâmina.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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