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二酸化炭素レーザー（CO2レーザー）は、開発された最も初期のガスレーザーの1つです。 1964年にベル研究所のクマール・パテル氏によって発明され[1]、現在でも最も有用なレーザーの1つです。二酸化炭素レーザーは、現在利用可能な連続波レーザーの中で最も高出力です。また、非常に効率的で、出力とポンプ電力の比率は20%にも達します。CO2レーザーは、9.6および10.6マイクロメートル（μm）を中心とした 主波長帯の赤外線ビームを生成します。
増幅
活性レーザー媒体（レーザー利得/増幅媒体）は、適用される電力に応じて空冷または水冷されるガス放電です。密閉された放電管内の充填ガスは、約10〜20％の二酸化炭素（CO
2）、窒素（N
2）、数パーセントの水素（H
2）および／またはキセノン（Xe）で、残りはヘリウム（He）である。[要出典]フロースルーレーザーでは、CO
2継続的に注入されます。具体的な割合はレーザーによって異なります。
レーザーの反転分布は、電子の衝突によって窒素の{v1(1)}量子振動モードが励起されるという一連の動作によって実現されます。窒素は同核分子であるため、光子放出によってこのエネルギーを失うことはなく、励起された振動モードは準安定で比較的長寿命です。N
2{v1(1)} とCO
2{v3(1)}はほぼ完全に共鳴している（ Nを考慮すると分子エネルギー差は3 cm −1以内である）。
2非調和性、遠心歪み、振動回転相互作用（これらは並進モードエネルギーのマクスウェル速度分布によって補われる）、 N
2衝突により、その振動モードエネルギーがCO 2分子に伝達され、二酸化炭素は{v3(1)}（非対称伸縮）振動モード量子状態に励起される。CO
2その後、 {v1(1)}（対称伸縮）振動モードに低下して10.6 μm [i]で放射するか、{v20(2)}（変角）振動モードに低下して 9.6 μm [i]で放射します。二酸化炭素分子は、冷たいヘリウム原子と衝突して {v1(1)} または {v20(2)} から {v20(0)} 振動モード基底状態に遷移し、反転分布が維持されます。二酸化炭素分子で反転分布を生成する能力を維持するには、結果として生じる高温のヘリウム原子を冷却する必要があります。密閉型レーザーでは、ヘリウム原子がレーザー放電管の壁に衝突すると、これが起こります。フロースルーレーザーでは、CO 2と窒素の連続的な流れがプラズマ放電によって励起され、高温のガス混合物はポンプによって共振器から排出されます。
ヘリウムの添加はNの初期振動励起にも役割を果たす。
2これは準安定He(2 3 S 1 )との共鳴解離反応によるものである。ヘリウムをネオンやアルゴンなどの他の希ガスに置き換えてもレーザー出力は向上しない。[2]
分子の振動および回転モードの量子状態の励起エネルギーは低いため、これらの量子状態間の遷移によって放出される光子は、可視光や近赤外光よりも比較的低いエネルギーと長い波長を持ちます。CO2レーザーの9～12μmの波長は、大気透過の重要なウィンドウ（この波長では最大80%の大気透過率）に該当し、多くの天然および合成材料がこの範囲で強い特性吸収を持つため、有用です。[3]
レーザー波長は、COを構成する炭素原子と酸素原子の同位体比を変えることで調整できる。
2放電管内の分子。
工事
CO2レーザーは赤外線で作動するため、その製造には特殊な材料が必要である。通常、ミラーは銀メッキされ、ウィンドウとレンズはゲルマニウムまたはセレン化亜鉛で作られる。高出力用途では、金ミラーとセレン化亜鉛のウィンドウとレンズが好まれる。ダイヤモンドのウィンドウとレンズも使用されている。ダイヤモンドのウィンドウは非常に高価だが、その高い熱伝導性と硬度により、高出力用途や汚れた環境で有用である。ダイヤモンド製の光学素子は、光学特性を失うことなくサンドブラストすることもできる。歴史的に、レンズとウィンドウは塩（塩化ナトリウムまたは塩化カリウム）で作られていた。材料は安価であったが、レンズとウィンドウは大気中の湿気にさらされると徐々に劣化した。
CO2レーザーの最も基本的な形態は、一端に全反射鏡、出力端に出力カップラー（部分反射鏡）を備えたガス放電（上記で指定されたものに近い混合比）で構成されています。[4]
CO2レーザーは、ミリワット（mW ）から数百キロワット（kW）までの連続波（CW）出力を持つように構成することができます。 [5]また、回転ミラーや電気光学スイッチを使用してCO2レーザーをアクティブにQスイッチすることも非常に簡単で、最大ギガワット（ GW）のQスイッチピーク出力を生み出すことができます。[6]
レーザー遷移は実際には線形三原子分子の振動回転バンド上にあるため、P バンドと R バンドの回転構造はレーザーキャビティ内のチューニング要素によって選択できます。プリズムはチューニング要素としては実用的ではありません。中赤外線を透過するほとんどの媒体は光の一部を吸収または散乱するためです。そのため、周波数チューニング要素はほとんどの場合回折格子です。回折格子を回転させることにより、振動遷移の特定の回転ラインを選択できます。エタロンを使用することで、最も精細な周波数選択を実現することもできます。実際には、同位体置換と組み合わせると、880 cm −1 から 1090 cm −1まで、約 1 cm −1 (30 GHz)離れた周波数の連続コムを使用できることになります。このような「ラインチューナブル」二酸化炭素レーザー[7]は、主に研究用途で関心を集めています。レーザーの出力波長は二酸化炭素分子に含まれる特定の同位体によって影響を受け、同位体が重いほど、より長い波長の放射を引き起こします。[3]
アプリケーション
工業（切断および溶接）
CO2レーザーは高出力レベルが利用できるため（レーザーのコストも手頃）、切断や溶接などの産業用途で頻繁に使用され、低出力レベルのレーザーは彫刻に使用されます。[8]選択的レーザー焼結では、CO2レーザーを使用してプラスチック粉末の粒子を部品に融合します。
医療（軟部組織外科）
二酸化炭素レーザーは、水（ほとんどの生物組織を構成する）がこの光の周波数を非常によく吸収するため、外科手術で有用となっている。医療用途の例としては、レーザー手術や皮膚リサーフェシング（「レーザーフェイスリフト」、基本的にはコラーゲン形成を促進するために皮膚を蒸発させる）などがある。[9 ] CO2レーザーは、隆起や小胞を除去することで、性器乳頭多毛症などの特定の皮膚疾患の治療に使用できる。CO2レーザーは、声帯嚢胞などの声帯病変の除去にも使用できる。イスラエルの研究者は、従来の縫合の代替として、CO2レーザーを使用して人間の組織を溶接する実験を行っている。[11]
10.6 μm CO2レーザーは、切開と止血の両方が光熱（放射）によって行われる軟部組織に対する最良の外科用レーザーです。 [12] [13] [14] [15] CO2レーザーは、ほとんどの処置でメスの代わりに使用でき、機械的外傷により手術部位が損傷する可能性のある繊細な部位など、メスが使用されない場所でも使用されます。CO2レーザーは、他の波長のレーザーと比較して、人間と動物の専門分野における軟部組織処置に最適です。利点としては、出血が少ない、手術時間が短い、感染のリスクが低い、術後の腫れが少ないなどがあります。用途には、婦人科、歯科、口腔外科、顎顔面外科など があります。
歯科では、波長9.25～9.6μmのCO2歯科用レーザーが 硬組織のアブレーションに使用されることがあります。硬組織は5,000℃もの高温でアブレーションされ、明るい熱放射が発生します。[16]
他の
一般的なプラスチックであるポリ（メチルメタクリレート）（PMMA）は、2.8～25μmの波長帯の赤外線を吸収するため、近年ではCO2レーザーを使用して、数百μmのチャネル幅を持つマイクロ流体デバイスを製造するようになりました。 [ 17 ]
大気は赤外線に対して非常に透過性が高いため、 CO2レーザーはLIDAR技術を使用した軍事距離測定にも使用されます。
CO2レーザーは分光法[18]やウラン濃縮のためのSilex法に使用されています。
半導体製造では、極端紫外線の生成にCO2レーザーが使用されます。
ソビエトのポリウスは、メガワットの二酸化炭素レーザーを軌道上の兵器として使用し、SDI衛星を破壊するように設計されました。
参照
注記
- ^ ab 正確な波長はCOの同位体組成に依存する
2分子。
参考文献
- ^ Patel, CKN (1964). 「CO2の振動回転遷移に対する連続波レーザー作用」. Physical Review . 136 (5A): A1187–A1193. Bibcode :1964PhRv..136.1187P. doi : 10.1103/physrev.136.a1187 .
- ^ Patel, CKN; et al. (1965). 「CW高出力CO2-N2-Heレーザー」.応用物理学レター. 7 (11): 290. Bibcode :1965ApPhL...7..290P. doi : 10.1063/1.1754264 .
- ^ ab [1] Yong ZhangとTim Killeen、「ガスレーザー：CO2レーザー- 多様な過去からアプリケーション固有の未来へ」、LaserFocusWorld（2016年11月4日）
- ^ 「出力カプラ」。ophiropt.com。Ophir Optronics Solutions Ltd。2014年2月17日閲覧。
- ^ 「カーボンベースのカーテンが迷光レーザー光を吸収」。Tech Briefs Media Labs。2007年11月30日。 2014年2月17日閲覧。
- ^ ブルックヘブン国立研究所の二酸化炭素増幅器。
- ^ FJ Duarte（編）、チューナブルレーザーハンドブック（アカデミック、ニューヨーク、1995年）第4章。
- ^ Andreeta, MRB; et al. (2011). 「連続波 CO 2レーザーを使用して酸化物ガラス表面に記録された二次元コード」。Journal of Micromechanics and Microengineering . 21 (2): 025004. Bibcode :2011JMiMi..21b5004A. doi :10.1088/0960-1317/21/2/025004. S2CID 137296053.
- ^ バートン、フリッツ (2014)。「スキンリサーフェシング」。チャールズ・ソーン (編)。グラブとスミスの整形外科(第 7 版)。フィラデルフィア: リピンコット・ウィリアムズ & ウィルキンス。p. 455。ISBN 978-1-4511-0955-9
実際のところ、皮膚表面を再生する方法には、機械研磨（皮膚剥離）、化学熱傷（ケミカルピーリング）、光線力学治療（レーザーアブレーションまたは凝固）の 3 つがあります
。 - ^ Benninger, Michael S. (2000). 「限定的な声帯良性病変に対するマイクロダイセクションまたはマイクロスポット CO2レーザー: 前向きランダム化試験」. The Laryngoscope . 110 (S92): 1–17. doi :10.1097/00005537-200002001-00001. ISSN 1531-4995. PMID 10678578. S2CID 46081244.
- ^ 「イスラエルの研究者が傷口を塞ぐレーザー治療の先駆者となる」Israel21c 2008年11月16日。2009年7月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年3月8日閲覧。
- ^ Vogel, A.; Venugopalan, V. (2003). 「生体組織のパルスレーザーアブレーションのメカニズム」. Chem. Rev. 103 ( 2): 577–644. doi :10.1021/cr010379n. PMID 12580643.
- ^ Vitruk, Peter (2014). 「口腔軟部組織レーザーアブレーションおよび凝固効率スペクトル」。Implant Practice US . 6 (7): 22–27 . 2015年5月15日閲覧。
- ^ Fisher, JC (1993). 「重要な外科用レーザーからの光の質的および量的組織効果」婦人科におけるレーザー手術：臨床ガイド：58–81。
- ^ Fantarella, D.; Kotlow, L. (2014). 「9.3 μm CO2 歯科用レーザー」(PDF) .科学レビュー. J Laser Dent . 1 (22): 10–27.
- ^ 「レーザー手術の基礎」。アメリカレーザー研究クラブ。 2018年5月4日閲覧。
- ^ Klank, Henning; Kutter, Jörg P.; Geschke, Oliver (2002). 「CO2レーザーマイクロマシニングとバックエンド処理によるPMMAベースのマイクロ流体システムの迅速な製造」. Lab on a Chip . 2 (4): 242–246. doi :10.1039/B206409J. PMID 15100818. 2009年10月21日閲覧。
- ^ CP Bewick、AB Duval、BJ Orr 、「D 2 CO/D 2 CO および D 2 CO/Ar 衝突における回転選択的モード間振動エネルギー移動」 、 J. Chem Phys. 82、3470 (1985)。
外部リンク
- 自作二酸化炭素レーザー