ليزر ثاني أكسيد الكربون

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة
يشتعل هدف الاختبار عند تعرضه للإشعاع بواسطة ليزر ثاني أكسيد الكربون ذي الموجة المستمرة بمستوى كيلوواط.

يُعدّ ليزر ثاني أكسيد الكربون ( ليزر CO2 ) من أوائل أنواع الليزر الغازي التي طُوّرت. اخترعه كومار باتيل من مختبرات بيل عام 1964 [ 1 ] ، ولا يزال يُعتبر من أكثر أنواع الليزر فائدة. تُعدّ ليزرات ثاني أكسيد الكربون من أعلى أنواع الليزر ذات الموجة المستمرة قدرةً المتوفرة حاليًا، كما أنها تتميز بكفاءة عالية، إذ تصل نسبة قدرة الخرج إلى قدرة الضخ إلى 20%. يُصدر ليزر CO2 شعاعًا من ضوء الأشعة تحت الحمراء ، وتتركز نطاقات الطول الموجي الرئيسية عند 9.6 و10.6 ميكرومتر (ميكرومتر). 

التضخيم

الوسط النشط لليزر (وسط كسب/ تضخيم الليزر ) عبارة عن تفريغ غازي يتم تبريده بالهواء أو الماء، وذلك حسب الطاقة المُطبقة. يتكون الغاز المستخدم في ملء أنبوب التفريغ المغلق من حوالي 10-20% من ثاني أكسيد الكربون ( CO₂).2 )، حوالي 10-20%نيتروجين(N2 )، نسبة قليلةمن الهيدروجين(H2 ) و/أوالزينون(Xe)، مع كون المتبقيهيليوم(He).يُستخدم مزيج مختلف فيالتدفق، حيثCOيتم ضخ المادة 2 باستمرار من خلالها. وتختلف النسب المحددة باختلاف نوع الليزر.

يتحقق انعكاس التوزيع السكاني في الليزر من خلال التسلسل التالي: يؤدي اصطدام الإلكترونات إلى إثارة أنماط الاهتزاز الكمومي {v1(1)} للنيتروجين. ولأن النيتروجين جزيء متجانس النوى ، فإنه لا يستطيع فقدان هذه الطاقة عن طريق انبعاث الفوتونات ، وبالتالي فإن أنماط اهتزازه المثارة تكون شبه مستقرة وطويلة الأمد نسبيًا .2 {v1(1)} وCO2 {v3(1)} رنانة بشكل شبه مثالي (يقع فرق الطاقة الجزيئية الكلية في حدود 3سم⁻¹ عندحسابN2- اللا توافقية، والتشوه المركزي، والتفاعل الاهتزازي الدوراني، والذي يتم تعويضه بشكل كامل من خلالتوزيع سرعة ماكسويللطاقة الوضع الانتقالي)،N2- يتلاشى استثارة جزيء ثاني أكسيد الكربون عن طريق نقل طاقة نمط اهتزازه إلى جزيء ثاني أكسيد الكربون،ممايؤدي إلى استثارة ثاني أكسيد الكربون إلى حالته الكمومية لنمط الاهتزاز {v3(1)} (التمدد غير المتماثل).ثم ينبعث 2 إشعاعيًا عند 10.6 ميكرومتر [ i ] بالانتقال إلى نمط الاهتزاز {v1(1)} (التمدد المتناظر)، أو عند 9.6 ميكرومتر [ i ] بالانتقال إلى نمط الاهتزاز {v20(2)} (الانحناء). بعد ذلك، تنتقل جزيئات ثاني أكسيد الكربون إلى حالتها الأرضية {v20(0)} من {v1(1)} أو {v20(2)} عن طريق التصادم مع ذرات الهيليوم الباردة، مما يحافظ على انعكاس التوزيع السكاني. يجب تبريد ذرات الهيليوم الساخنة الناتجة للحفاظ على القدرة على إنتاج انعكاس التوزيع السكاني في جزيئات ثاني أكسيد الكربون. في الليزر المغلق، يحدث هذا عندما تصطدم ذرات الهيليوم بجدران أنبوب تفريغ الليزر. أما في ليزر التدفق، فيتم إثارة تيار مستمر من ثاني أكسيد الكربونوالنيتروجينبواسطة تفريغ البلازما، ويتم طرد خليط الغاز الساخن من الرنان بواسطة مضخات.

كما أن إضافة الهيليوم تلعب دورًا في الإثارة الاهتزازية الأولية لـ N٢ ، نتيجة لتفاعل تفكك شبه رنيني مع الهيليوم شبه المستقر (He(23S1)). استبدال الهيليوم بغازات نبيلة أخرى، مثل النيون أو الأرجون، لا يؤدي إلى تحسين ناتج الليزر. [ ٢ ]

نظرًا لانخفاض طاقة الإثارة لحالات الكم في أنماط الاهتزاز والدوران الجزيئية، فإن الفوتونات المنبعثة نتيجة الانتقال بين هذه الحالات الكمومية تتميز بطاقة أقل نسبيًا وطول موجي أطول من الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة. يُعدّ الطول الموجي لأشعة ليزر ثاني أكسيد الكربون (9-12 ميكرومتر  ) مفيدًا لأنه يقع ضمن نطاق مهم للنفاذية الجوية (تصل إلى 80% نفاذية جوية عند هذا الطول الموجي)، ولأن العديد من المواد الطبيعية والاصطناعية تتميز بامتصاص قوي في هذا النطاق. [ 3 ]

يمكن ضبط طول موجة الليزر عن طريق تغيير النسبة النظائرية لذرات الكربون والأكسجين المكونة لجزيء أول أكسيد الكربون (CO).جزيئان في أنبوب التفريغ.

بناء

نظرًا لأن ليزرات ثاني أكسيد الكربون تعمل في نطاق الأشعة تحت الحمراء، فإن تصنيعها يتطلب مواد خاصة. عادةً ما تُطلى المرايا بالفضة ، بينما تُصنع النوافذ والعدسات إما من الجرمانيوم أو سيلينيد الزنك . في التطبيقات عالية الطاقة، يُفضل استخدام مرايا من الذهب ونوافذ وعدسات من سيلينيد الزنك. كما تُستخدم أيضًا نوافذ وعدسات من الماس . تُعد نوافذ الماس باهظة الثمن، لكن موصليتها الحرارية العالية وصلابتها تجعلها مفيدة في التطبيقات عالية الطاقة وفي البيئات الملوثة. حتى أن العناصر البصرية المصنوعة من الماس يمكن معالجتها بالرمل دون أن تفقد خصائصها البصرية. تاريخيًا، كانت العدسات والنوافذ تُصنع من الملح (إما كلوريد الصوديوم أو كلوريد البوتاسيوم ). ورغم أن هذه المادة كانت رخيصة، إلا أن العدسات والنوافذ كانت تتلف ببطء مع تعرضها لرطوبة الجو.

يتكون الشكل الأساسي لليزر ثاني أكسيد الكربون من تفريغ غازي (بمزيج قريب من المزيج المحدد أعلاه) مع عاكس كلي في أحد طرفيه، ومقرن إخراج (مرآة عاكسة جزئياً) في طرف الإخراج. [ 4 ]

يمكن تصميم ليزر ثاني أكسيد الكربون بقدرات موجة مستمرة تتراوح بين الميلي واط (mW) ومئات الكيلو واط (kW). [ 5 ] كما يسهل جدًا تبديل تردد ليزر ثاني أكسيد الكربون (Q-switching) باستخدام مرآة دوارة أو مفتاح كهروضوئي، مما ينتج عنه قدرات ذروة تصل إلى جيجا واط (GW). [ 6 ]

نظرًا لأن انتقالات الليزر تقع فعليًا على نطاقات الاهتزاز الدوراني لجزيء ثلاثي الذرات خطي، يمكن تحديد البنية الدورانية لنطاقي P وR بواسطة عنصر ضبط في تجويف الليزر . لا تُعد الموشورات عملية كعناصر ضبط لأن معظم الأوساط التي تنقل الأشعة تحت الحمراء المتوسطة تمتص أو تشتت جزءًا من الضوء، لذا فإن عنصر ضبط التردد يكون دائمًا تقريبًا محزز حيود . من خلال تدوير محزز الحيود، يمكن تحديد خط دوران معين لانتقال الاهتزاز. يمكن أيضًا الحصول على أدق اختيار للتردد باستخدام إيتالون . عمليًا، إلى جانب الاستبدال النظائري ، يعني هذا أنه يمكن استخدام مشط ترددات متصل يفصل بينه حوالي 1  سم⁻¹ (30 جيجاهرتز) يمتد من 880 إلى 1090 سم⁻¹ . تُعد ليزرات ثاني أكسيد الكربون "القابلة لضبط الخط" هذه [ 7 ] ذات أهمية رئيسية في التطبيقات البحثية . يتأثر الطول الموجي الناتج عن الليزر بالنظائر المحددة الموجودة في جزيء ثاني أكسيد الكربون، حيث تتسبب النظائر الأثقل في انبعاث موجات أطول. [ 3 ]  

التطبيقات

ليزر ثاني أكسيد الكربون الطبي

الصناعة (القطع واللحام)

نظراً لمستويات الطاقة العالية المتاحة (إلى جانب التكلفة المعقولة لليزر)، تُستخدم ليزرات ثاني أكسيد الكربون بكثرة في التطبيقات الصناعية للقطع واللحام ، بينما تُستخدم ليزرات ذات مستويات طاقة أقل للنقش. [ 8 ] في التلبيد الانتقائي بالليزر ، تُستخدم ليزرات ثاني أكسيد الكربون لدمج جزيئات مسحوق البلاستيك في أجزاء.

جراحة الأنسجة الرخوة

أصبحت ليزرات ثاني أكسيد الكربون مفيدة في العمليات الجراحية لأن الماء (الذي يُكوّن معظم الأنسجة البيولوجية ) يمتص هذا التردد من الضوء بكفاءة عالية. ومن الأمثلة على استخداماتها الطبية جراحة الليزر وتجديد سطح الجلد ( عمليات شد الوجه بالليزر ، والتي تعتمد أساسًا على تبخير الجلد لتحفيز إنتاج الكولاجين ). [ 9 ] يمكن استخدام ليزرات ثاني أكسيد الكربون لعلاج بعض الأمراض الجلدية، مثل الشعرانية الحليمية التناسلية، عن طريق إزالة النتوءات أو البثور. كما يمكن استخدامها لإزالة آفات الأحبال الصوتية، [ 10 ] مثل أكياس الأحبال الصوتية . ويجري باحثون في إسرائيل تجارب على استخدام ليزرات ثاني أكسيد الكربون في لحام الأنسجة البشرية، كبديل عن الخيوط الجراحية التقليدية . [ 11 ]

لا يزال ليزر ثاني أكسيد الكربون بطول موجة 10.6  ميكرومتر الخيار الأمثل لجراحة الأنسجة الرخوة، حيث يتم تحقيق كل من القطع ووقف النزيف باستخدام الحرارة الضوئية (الإشعاعية). [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] يمكن استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون بدلاً من المشرط في معظم العمليات الجراحية، بل ويُستخدم حتى في المناطق الحساسة التي لا يُستخدم فيها المشرط، حيث قد تُلحق الصدمات الميكانيكية ضرراً بموقع الجراحة. يُعد ليزر ثاني أكسيد الكربون الأنسب لإجراءات الأنسجة الرخوة في التخصصات البشرية والبيطرية، مقارنةً بالليزر ذي الأطوال الموجية الأخرى . تشمل مزاياه تقليل النزيف، وتقصير مدة الجراحة، وتقليل خطر العدوى، وتقليل التورم بعد العملية. تشمل تطبيقاته طب النساء ، وطب الأسنان ، وجراحة الفم والوجه والفكين ، وغيرها الكثير. في الطب البيطري، تُستخدم ليزرات ثاني أكسيد الكربون بطول موجة 10.6 ميكرومتر في مجموعة متنوعة من إجراءات الأنسجة الرخوة، بما في ذلك استئصال الأظافر ، والخصي ، واستئصال الإناث ، وإزالة الأورام السرطانية، وجراحات العيون والأذن والجلد المتخصصة. [ 16 ] [ 17 ] 

يُستخدم أحيانًا ليزر ثاني أكسيد الكربون السني ذو الطول الموجي 9.25-9.6 ميكرومتر في طب الأسنان لإزالة الأنسجة الصلبة. وتُزال هذه الأنسجة عند درجات حرارة تصل إلى 5000 درجة مئوية، مما ينتج عنه إشعاع حراري ساطع. [ 18 ]  

آخر

يمتص البلاستيك الشائع بولي (ميثيل ميثاكريلات)  (PMMA) ضوء الأشعة تحت الحمراء في نطاق الطول الموجي 2.8-25 ميكرومتر، لذلك تم استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون في السنوات الأخيرة لتصنيع أجهزة الموائع الدقيقة منه، بعرض قنوات يصل إلى بضع مئات من الميكرومترات. [ 19 ]

نظراً لأن الغلاف الجوي شفاف تماماً للأشعة تحت الحمراء، فإن ليزر ثاني أكسيد الكربون يستخدم أيضاً في تحديد المدى العسكري باستخدام تقنيات الليدار .

تُستخدم ليزرات ثاني أكسيد الكربون في التحليل الطيفي [ 20 ] وعملية Silex لتخصيب اليورانيوم .

في صناعة أشباه الموصلات، تُستخدم ليزرات ثاني أكسيد الكربون لتوليد الأشعة فوق البنفسجية الشديدة .

تم تصميم نظام Polyus السوفيتي لاستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون بقوة ميغاواط كسلاح في المدار لتدمير أقمار SDI الصناعية .

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. 1 2 يعتمد الطول الموجي الدقيق على التركيب النظائري لـ COجزيئان .

مراجع

  1. ↑ باتيل، سي كيه إن (1964). "تأثير الليزر ذي الموجة المستمرة على الانتقالات الاهتزازية الدورانية لثاني أكسيد الكربون " . مجلة Physical Review . 136 (5A): A1187– A1193. Bibcode : 1964PhRv..136.1187P . doi : 10.1103/physrev.136.a1187 .
  2. ↑ باتيل، سي كيه إن؛ وآخرون (1965). " ليزر عالي القدرة يعمل بموجة مستمرة من ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والهيليوم " . رسائل الفيزياء التطبيقية . 7 (11): 290. رمز Bibcode : 1965ApPhL...7..290P . doi : 10.1063/1.1754264 . 
  3. 1 2يونغ تشانغ وتيم كيلين، ليزرات الغاز: ليزرات ثاني أكسيد الكربون - الانتقال من ماضٍ متنوع إلى مستقبل خاص بالتطبيقات ، LaserFocusWorld (4 نوفمبر 2016)
  4. ↑ "موصلات الإخراج" . ophiropt.com . شركة أوفير لحلول الإلكترونيات الضوئية المحدودة . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 فبراير 2014 .
  5. ↑ "ستارة مصنوعة من الكربون تمتص ضوء الليزر المتناثر" . Tech Briefs Media Labs. 30 نوفمبر 2007. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 فبراير 2014 .
  6. ↑ مضخم ثاني أكسيد الكربون في مختبر بروكهافن الوطني .
  7. ↑ FJ Duarte (ed.), Tunable Lasers Handbook (Academic, New York, 1995) الفصل 4.
  8. ↑ أندريتا، إم آر بي؛ وآخرون (2011). "رموز ثنائية الأبعاد مسجلة على سطح زجاج أكسيدي باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون ذي الموجة المستمرة " . مجلة الميكانيكا الدقيقة والهندسة الدقيقة . 21 (2) 025004. رمز Bibcode : 2011JMiMi..21b5004A . doi : 10.1088/0960-1317/21/2/025004 . S2CID 137296053 .  
  9. ↑ بارتون، فريتز (2014). "تجديد سطح الجلد". في تشارلز ثورن (محرر). جراحة التجميل لغراب وسميث ( الطبعة السابعة). فيلادلفيا: ليبينكوت ويليامز وويلكنز. ص 455. ISBN   978-1-4511-0955-9. لأغراض عملية، هناك ثلاث طرق لإعادة تسطيح الجلد: الصنفرة الميكانيكية (التقشير الجلدي)، والحرق الكيميائي (التقشير الكيميائي)، والعلاجات الضوئية الديناميكية (الاستئصال بالليزر أو التخثير).
  10. ↑ بينينجر، مايكل س. (2000). "الاستئصال المجهري أو ليزر ثاني أكسيد الكربون الموضعي لعلاج آفات الأحبال الصوتية الحميدة المحدودة: دراسة عشوائية مستقبلية". مجلة الحنجرة . 110 (ملحق 92): 1-17 . doi : 10.1097/00005537-200002001-00001 . ISSN 1531-4995 . PMID 10678578. S2CID 46081244 .   
  11. ↑ «باحثون إسرائيليون يبتكرون علاجاً بالليزر لإغلاق الجروح» . إسرائيل 21 ج . 16 نوفمبر 2008. مؤرشف من الأصل في 28 يوليو 2009. تم الاطلاع عليه في 8 مارس 2009 .
  12. ↑ فوغل، أ.؛ فينوجوبالان، ف. (2003). "آليات استئصال الأنسجة البيولوجية بالليزر النبضي" . مجلة الكيمياء. 103 ( 2): 577-644 . doi : 10.1021/cr010379n . PMID 12580643 . 
  13. ↑ فيتروك، بيتر (2014). "أطياف كفاءة الاستئصال والتخثير بالليزر للأنسجة الرخوة الفموية" . ممارسة زراعة الأسنان في الولايات المتحدة . 6 (7): 22-27 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 مايو 2015 .
  14. ↑ فيشر، جيه سي (1993). "التأثيرات النوعية والكمية للضوء المنبعث من الليزر الجراحي المهم على الأنسجة". جراحة الليزر في أمراض النساء: دليل سريري : 58-81 .
  15. ↑ فانتاريلا، د.؛ كوتلو، ل. (2014). " ليزر ثاني أكسيد الكربون السني بطول موجي 9.3 ميكرومتر" ( ملف PDF ) . مراجعة علمية. مجلة طب الأسنان بالليزر . 1 (22): 10-27 . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 5 فبراير 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 مارس 2016 . 
  16. ↑ كومار أ، كوشال س، أهوجا أ (2024). "إضاءة الجراحة البيطرية: تطور وتطبيق تقنية ليزر ثاني أكسيد الكربون" . المجلة الهندية للجراحة البيطرية . 45 (2): 79-83 . doi : 10.5958/0973-9726.2024.00018.8 . ISSN 0254-4105 . تاريخ الاسترجاع: 10 مارس 2026 . 
  17. ↑ دريليويتش، إل آر (2025). "استئصال الظفر". المريض القط . وايلي. ص 916-919. doi : 10.1002/9781394218035.ch265 . ISBN  978-1-394-21800-4تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 مارس 2026 .
  18. ↑ "أساسيات جراحة الليزر" . نادي دراسات الليزر الأمريكي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 مايو 2018 .
  19. ↑ كلانك، هينينغ؛ كوتر، يورغ ب.؛ غيشكه، أوليفر (2002). "التصنيع الدقيق بالليزر ثاني أكسيد الكربون والمعالجة النهائية للإنتاج السريع لأنظمة الموائع الدقيقة القائمة على بولي ميثيل ميثاكريلات" . مختبر على رقاقة . 2 (4): 242-246 . doi : 10.1039/B206409J . PMID 15100818. تاريخ الاسترجاع: 21 أكتوبر 2009 . 
  20. ↑ CP Bewick و AB Duval و BJ Orr ، نقل الطاقة الاهتزازية الانتقائية الدورانية من نمط إلى نمط في تصادمات D 2 CO/D 2 CO و D 2 CO/Ar ، J. Chem Phys. 82 ، 3470 (1985).