JU UNIVERZITET U TUZLI

MAŠINSKI FAKULTET PROIZVODNO MAŠINSTVO

Predmet: Laserske Tehnologije

SEMINARSKI RAD

PLINSKI LASERI

Student Profesor Harsen Kočan II-83/06

2

SADRŽAJ

1. Laseri – teorijske osnove...............................................................3

2. Plinski laseri.................................................................................6

2.1. Podjela plinskih lasera.............................................................6

2.2. Atomski laseri........................................................................9

2.2.1. He-Ne laser (Helium – Neon).........................................9

2.3. Ionski laseri.........................................................................10

2.3.1. Argonski laser............................................................10

2.4. Molekularni laseri.................................................................14

2.4.1. CO2 laser...................................................................14

3. Zaštita pri radu sa laserima..........................................................21

Zaključak.......................................................................................23

Literatura......................................................................................24

3

1. Laseri – teorijske osnove

Glavni problem u laserskoj akciji, bez obzira na agregatno stanje

aktivne tvari, je stvoriti veliki broj pobuđenih atoma i postići populacijsku

inverziju (populacija gornjeg nivoa određenog prijelaza mora biti veća od populacije donjeg nivoa), rezultat će biti pojačanje u svjetlosti, odnosno

povećani broj fotona s energijom prijelaza (slika 1a i slika 1b). Na ovoj ideji se zasniva rad lasera. Laser je akronim za pojačanje svjetlosti

pomoću stimulirane emisije zračenja.

Slika 1a. Svjetlosna apsorpcija i emisija

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Svaki laser se sastoji od tri glavna dijela: Optičkog pojačala,

optičkog rezonatora i energetske pobude sistema. Optičko pojačalo je zapravo medij u kojem se pojačava laserska

svjetlost pri svakom prolazu. U aktivnom mediju pumpanjem iz vanjskog izvora energije postiže se inverzija naseljenosti između gornjeg i donjeg

nivoa čiji prijelaz daje laserski snop. Drugi glavni dio svakog lasera je optički rezonator. Tipično se

laserski rezonator sastoji od dva paralelna skoro ravna ogledala. Jedno od

ogledala ima refleksivnost što bliže 100% za lasersku svjetlost, dok je refleksivnost drugoga nešto manja od 100% kako bi dio svjetlosti izišao

van i tako tvorio laserski snop. Kao energetska pobuda medija može poslužiti apsorpcija fotona,

sudari između elektrona ili iona i aktivnih molekula odnosno atoma koji emitiraju lasersko svjetlo, sudari između samih aktivnih atoma odnosno

molekula, rekombinacija slobodnih elektrona, rekombinacija nositelja naboja u poluvodiču, kemijska reakcija koja stvara pobuđene molekule ili

atome.

4

Slika 1b. Populacijska inverzija kod lasera sa tri energetska nivoa

Kako ustvari dolazi do laserskog svjetla? Vanjska pobuda dovede do inverzije naseljenosti u aktivnom mediju. Ovi atomi spontano emitiraju

fotone koji zatim induciraju stimuliranom emisijom dodatne fotone. Neki od ovih fotona se vraćaju u medij djelovanjem rezonatora i stvaraju lavinu

fotona u istom pravcu. Konačno se stvara ravnotežno stanje u kojemu veliki broj fotona putuje naprijed-natrag u rezonatorskoj šupljini po osi,

dok mali dio fotona izlazi kroz zrcalo i daje laserski snop.

Laseri su korisni zbog svojih jedinstvanih karakteristika, monokromatičnosti, usmjerenosti, velikog sjaja i velike

koherencije.

Pod monokromatičnošću lasera podrazumijevamo da laser emitira

skoro samo jednu talasnu dužinu. Dok je spektralna širina zračenja dobivena spontanom emisijom s jednog prijelaza reda veličine

10-12–10-10 m, kod laserskog svjetla širina može biti i tek 10-20 m. Ovakva mala širina je posljedica činjenice da laserski rezonator može osigurati da

skoro sva svjetlost dolazi stimuliranom emisijom koja potiče od svega nekoliko početnih, sličnih fotona.

Budući da je skoro sva laserska svjetlost rezultat fotona koji putuju po pravcu paralelnom s osi rezonatora u osnovi bi laserski snop trebao biti

savršeno kolimiran. Međutim, snop se širi zbog difrakcije jer je transverzalna dimenzija rezonatora konačna. Tipični kutovi divergencije

laserskog snopa su manji od 1 miliradiana odnosno 0.05O.

Spektralni sjaj je optičko svojstvo koje je ujedno mjera monokromatičnosti i usmjerenosti izvora svjetlosti. Spektralni sjaj je

definiran kao svjetlosna snaga izračena u jedinični prostorni ugao u

5

jedinični valni interval po jediničnoj površini. Možemo usporediti spektralni

sjaj sunca i tipičnog He-Ne lasera. Na tipičnoj vidljivoj talasnoj dužini od 500 nm, spektralni sjaj sunca iznosi 7∙1012 [W/m3rad]. Spektralni sjaj

1mW He-Ne lasera na talasnoj dužini 632,8 nm koji daje snop promjera

0,5 mm iznosi 5∙1023 [W/m3rad], znači 10 milijardi više od sunčevog.

Koherencija se definira kao mjera korelacije faza između različitih tačaka talasa (slika 2a i slika 2b). Iako je to osobina putujućeg talasa,

koherencija je direktno vezana uz osobine izvora talasa. Slikovito se koherencija može shvatiti uz pomoć slike dva čepa koji plutaju na površini

vode. Neka je izvor talasa kamen bačen u vodu daleko od čepova. Tada ćemo imati savršenu korelaciju u gibanju dva čepa. Oni ne moraju biti u

fazi, odnosno jedan se može gibati gore dok drugi ide dolje, ali će relativna faza između položaja dva čepa u vremenu ostati konstantna.

Ovdje imamo savršenu koherenciju jer je izvor tačkasti. Zamislimo sada

da su izvori talasa kišne kapi koje nasumce padaju na vodu. Talas je u svakoj točki superpozicija valova nastalih od svih kišnih kapi. Budući da

kišne kapi nasumce pogađaju različita mjesta na vodi u nasumičnim vremenskim trenucima, ne možemo očekivati da će faza talasa na jednom

mjestu biti korelirana s fazom na drugom mjestu. Čepovi sad skaču gore dolje bez ikakvog međusobnog odnosa u njihovim gibanjima. U ovom

slučaju izvor talasa je jako nekoherentan.

a) Koherentni svjetlosni talas b) Nekoherentni svjetlosni talas

Slika 2. Koherencija svjetlosnih talasa

Lasere možemo podjeliti na tri osnovne grupe:

1) Plinski laseri;

2) Čvrsti laseri; 3) Tečni laseri.

Prema načinu rada, lasere možemo podjeliti na kontinuirane i impulsne.

6

2. Plinski laseri

Aktivni medijum kod plinskih lasera su različite gasne mješavine, koje

se pobudom ionizuju, a potom zrače. Najznačajnije su mješavine helija i

neona (He-Ne laser), ugljendioksida (CO2 laseri), azota i helija, azot, argon i inertni gasovi. Mogu da rade na niskom i visokom pritisku.

Pobuđuju se na različite načine: električnim pražnjenjem (najčešće), radio frekventno ili hemijski (rjeđe). Zrače različitim talasnim dužinama od UV

do IC oblasti.

2.1 Podjela plinskih lasera

Grupu plinskih lasera možemo podjeliti na: - Atomske (He-Ne, Cs,...);

- Ionske (Ar,Kr,...); - Molekularne (CO2,N2,...).

Za medij u plinovitom stanju, niti jedna metoda pobude nije tako

pogodna kao elektronski sudari u plinskom izboju. Ovaj tip pobude

efikasan je za svaki plinski medij, bez obzira da li se radi o atomskom, ionskom ili molekularnom laseru.

Za plinske lasere upotrebljavaju se cijevi od kvarca ili pyrex stakla. Izuzetak predstavljaju ionski laseri, za koje se zbog visoke radne

temperature najčešće upotrebljavaju grafitne ili keramičke cijevi od BeO. S obzirom na način ugrađivanja elektroda, razlikujemo laserske cijevi

s unutrašnjim i vanjskim elektrodama. Kod cijevi sa unutrašnjim elektrodama obje elektrode su ugrađene u lasersku cijev, koja je

hermetički zatvorena i ispunjena plinom pod malim pritiskom. Kod drugog slučaja elektrode su mali prstenasti segmentikoji su navučeni na cijev, a

pobuda se vrši pomoću visokofrekventnog generatora. Na slici 2. imamo prikazanu običnu plinom punjenu cijev koja emitira

nekoherentnu svjetlost. Da bi obična cijev, punjena plinom, postala laserska potrebno je izvršiti neke konstrukcione izmjene. Prvi korak je

odstranjivanje unutrašnjih elektroda iz linearnog prostora, tako da

svjetlost može prolaziti cijelom dužinom cijevi i izlaziti na krajevima (slika.3). Da bi se ostvarila laserska akcija, treba spriječiti fotone da

suviše brzo ne napuste radni prostor (cijev), a one koje su izašli treba vratiti nazad, što se postiže postavljanjem cijevi između ogledala visoke

refleksivnosti (slika.4), ovako dobijamo optički rezonator.

Slika 2. Obična cijev punjena plinom

7

Slika 3. Plinska cijev

Slika 4. Shematski prikaz laserske cijevi

Emitirana svjetlost nije polarizirana. Pošto je potrebno imati

linearno polariziranu svjetlost, odstranićemo nepoželjene komponente polarizacije. Moramo modifikovati lasersku cijev time što ćemo na krajeve

laserske cijevi postaviti prozore pod Brewsterovim uglom, koji će eliminirati nepoželjene polarizacije i tada kompletna laserska cijev ima

izged kao na slici 5. (Brewsterov ugao je uago kod kojeg važi ntg B , pri

čemu je n-indeks prelamanja sredine). Brewsterovi prozori koji su postavljeni na cijev plinskog lasera zadržavaju vertikalnu komponentu

unutar cijevi, pa je prema tome izlazna svjetlost uvjek paralelno

polarizirana.

Slika 5. Modificirana cijev plinskog lasera

8

2.2 Atomski laseri

2.2.1 He-Ne Laser (Helium – Neon)

Helium – Neon laser je prvi gas laser sa kontinuiranim načinom rada. Ovaj plinski laser se sastoji od četiri energetska nivoa i on koristi atome

helija da bi pobudio atome neona. Lasresku svjetlost proizvode atomski prelazi u neonu. Najčešće korišteni neonski prelazi u ovom laseru

proizvode crveno svijetlo do 632,8 [nm]. Takodje, mogu da proizvedu zelenu i žutu svjetlost (vidljivu), kao i UV i IR (prvi He-Ne laser je radio u

IR na 1152,3 [nm]). Prijenos energije sa atoma helija na atom neona i njegovo pobuđivanje (na sasvim određeni nivo) naziva se selektivnim

pobuđivanjem. Jedan od pobuđenih nivoa helija na 20.61 [eV] je veoma blizu nivou u neonu na 20.66 [eV], tako blizu da se iznad sudara atoma

helija i neona, energija prenosi sa atoma helija na atom neona (slika.6).

Slika 6. Prenos energije sa atoma helija na atom neona

Snaga koju ovi laseri proizvode je nekoliko desetina mW (mili-Watt ili 10-3 W). Oni nisu izvori velikih snaga laserskog svjetla. Najvjerovatnije,

jedna od najbitnijih karakteristika ovih lasera je ta da su oni jako stabilni, kako u uslovima njihove talasne dužine (stabilan način rada), tako i kod

jačine njihovog izlaznog svjetla (malo treperenje u energetskom nivou). Zbog ovih razloga, He-Ne laseri se ćešće koriste za stabilizaciju drugih

lasera, oni se takođe koriste u aplikacijama, ako što je holografija, gdje je veoma bitan stabilan način rada. Sve do srednjih devedesetih godina,

He-Ne laseri su bili dominantan tip lasera proizvedenih za uptrebu pri malim snagama – za određivanje dometa, skeniranje, laserski pokazivači,

itd. Ipak, ostali tipovi lasera, kao što su poluprovodnički laseri, su

pobjedili, zbog manjih troškova.

9

He-Ne laser se sastoji od: - staklene čahure (glass envelope), u kojoj se nalazi mješavina

He-Ne gasova, uglavnom u odnosu 5:1 na malom pritisku

(približno 300 [Pa]); - uske (2 do 3 [mm]) epruvete (laser bore tube), na kojoj se

nalaze ogledala, od kojih je jedno ravno i visoko reflektivno (high reflector), a drugo je konkavno i oko 1% propusno

(output coupler). Između ovih ogledala se nalaze elektrode, katoda (cathode) i anoda (anode).

Slika 7. Šematksi prikaz He-Ne lasera

Na donjoj slici je prikazan komercijalni He-Ne laser, koji proizvodi

malu snagu od oko nekoliko [mW] od 632.8 [nm] sa širinom snopa od nekoliko milimetara, sa cjelokupnom efikasnošću od oko 0.1 [%], što

znači da laser za 1 [W] ulazne snage sa izvora napajanja, proizvede 1 [mW] laserskog svjetla. Ali ipak, ovi laseri zbog njihovog dugog vijeka

trajanja, oko 20000 sati ili više, i njihovih relativno niskih proivodnih

cijena, spadaju među najpopularnije plinske lasere.

Slika 8. Komercijalni He-Ne laser

10

2.3 Ionski laseri

Ionski laseri se razlikuju od ostalih plinskih lasera po svojim

karakteristikama koje omogućuju da se stvori snažni laser sa

kontinuiranim režimom rada u vidljivom i ultraljubičastom području spektra.

Bazični proces ionskog lasera uključuje energetska stanja dobivena u

plinskom izboju dvostepenim procesom u kojem se neutralni atom najprije ionizira direktnim sudarom sa elektronom, a zatim se pozitivni ion pobudi

na različite energetske nivoe odgovarajućim sudarima sa elektronima.

Ionski laseri proizvode veliki broj laserskih talasnih dužina velike snage koji se protežu od ultraljubičastih, preko vidljivih u skoro infracrveni

dio spectra.

Skoro svi komercijalni vidljivi laseri proizvedeni danas su CW (Continual Wave - kontinuirani način rada) argonski ili kriptonski laseri.

Teži se ka usavršavanju ovih vrsta da bi se postigao izuzetno

pouzdan životni vijek ionskih lasera sa najboljom optičkom stabilnosti, najnižim optičkim zvukom i maksimalnim dometom talasne duzine.

2.3.1 Argonski ionski laser

Aktivni medij kod argonskog lasera je plazma pobuđenih iona. Ustvari,

atomi argona se prvo ionizuju, pa se onda pobude. Potrebno je više energije da se ionizira atom, nego da se pobudi. Samim tim, više energije

se može proizvesti (dobiti) deekstatacijom iona (deekstatacija iona – vraćanje pobuđenog iona u stanje ravnoteže).

Dvovalentni (Ar++) i jednovalentni (Ar+) atomi argona mogu zračiti

kraće talasne dužine svjetla, nego što to mogu neutralni atomi argona. Zbog ovoga, Argon-ionski laseri mogu proizvesti svjetlost sa talasnom

dužinama od 351.1 [nm] do 528.7 [nm]. Na slici 9, su prikazane sve

talasne dužine koje proizvodi ovaj laser. Dvije dominantne talasne dužine od 514 [nm] ''zelena'' i 488 [nm] ''plava'', čine oko 67% od izlazne snage

laserskog snopa. Uz to, ovi laseri mogu proizvesti puno više energije nego He-Ne laseri. Argonski-ionski laseri obično imaju izlaznu snagu, od 1[W]

pa sve do 20 [W].

11

Slika 9. Prikaz talasnih dužina Argonskog ionskog lasera

Izgled tipičnog Argonsko-ionskog lasera je veoma slična He-Ne laseru,

ali sa par manjih izmjena. Kao prvo, ovi laseri su mnogo veći, obična Ar++ laserska cijev ima dužinu od oko 1 [m], nasuprot dužini cijevi He-Ne

lasera od 20 [cm]. Izbojna cijev mora biti specijalne konstrukcije da izdrži visoku gustoću struje izboja, potrebnog za pobuđivanje argona. Ozbiljan

je problem u tome da vruća plazma i ionsko bombardiranje u izboju izazivaju promjene u samoj stjenci, što dovodi do kapilarne erozije,

naprezanja i uništenja cijevi. Rješenje ovog problema vrši se u dva pravca, jedan je upotrebljavanje visokotemperaturne keramike za izradu

cijevi u kombinaciji sa metalima zbog odvođenja topline, a drugi pravac je

upotreba metalnih dijelova u kratkim sekvencama čija je dužina izabrana tako da razlika potencijala unutar luka od jedne do druge sekcije nije

dovoljno velika da bi stvorila kratak spoj za izboj. Prostor između metalnih sekcija ispunjen je keramikom od koje metal preuzima tolinu i hladi je. Za

mnoge komercijalne lasere koristi se segmentirana grafitna cijev ili cijev od BeO, konstruisana da izdrži visoka termička oštećenja i eroziju zidova.

Cijev se hladi vodom, a uz to i omogućuje cirkulaciju plina da bi se spriječila akumulacija neutralnog argona blizu anode, zbog efekta

elektroforeze.

Prizma ili difrakciona rešetka, postavljena ispred visoko-reflektirajućeg ogledala selektuje samo jednu od talasnih dužina za

pojačanje unutar rezonatora; ostale talasne dužine su uklonjene (skrenute) iz rezonatorske šupljine. Na ovaj način ovi ionski laseri mogu

operirati u tzv. jednoj talasnoj dužini.

Slika 10. Shematski prikaz Argonsko-ionskog lasera

12

Primjena Argonsko-ionskih lasera:

M E D I C I N A

- Operacija oka

Argonski laser je punjen Ar gasom koji proizvodi plavo – zelene talase . Oni su apsorbovani ćelijama koje leže ispod mrežnjače i pored

hemoglobina u krvi, ali ovi plavo – zeleni talasi mogu proći kroz tekućinu oka a da ga ne oštete. Iz tog razloga Ar laser se intenzivno koristi u

tretmanima poput dijabetičke retinopatije, teškog poremećaja retine koji je uzrokuje pucanje krvnih sudova. Ar laser moze da sprži i zatvori krvni

sud. Odvojenost mrežnjace (retine) je jos jedno teško oboljenje oka koje

se moze liječiti pomoću Ar lasera. Laser se koristi da spoji odvojenu mrežnjaču sa koroidnim dijelom koji leži ispod oka.

Nekoliko oblika glaukoma (slika 11), koji su glavni uzroci sljepoće, takođe se liječe sa Ar laserima. Vrlo teški glaukom (zatvaranje ugla), se

ponekad liječi upotrebom Ar lasera da se stvori vrlo malena rupica – otvor

na irisu kako bi se omogućilo višku tekucine u oku da se odvede tj. da izađe, s ciljem smanjenja pritiska.

Degeneracija žute mrlje, teško stanje koje utiče na vid kod starijih osoba, ponekad se liječi sa Ar ili Kriptonovim laserima. U ovom postupku

laser koristimo za uništenje abnormalnih krvnih sudova tako da krvarenje ili oštećenja ne oštete vid.

Slika 11. Primjeri liječenja nekih oblika oboljenja oka

- Stomatologija

13

- Pigmentacija

S V J E T L O S N I E F E K T I

P R I J E N O S S L I K E

- Forenzičari

- Holografija

14

2.4 Molekularni laseri

Molekularni laseri, kao i drugi plinski laseri, sastoje se od plinom

punjene cijevi, smještene između dvaju ogledala, koja formiraju optičku

šupljinu. Kao i u svakom drugom plinu, laserska akcija počinje izbojem u plinu: elektroni velike snage sudaraju se sa česticama plina (molekule) i

pobuđuju ih na viša energetska stanja.

Energetski spektar molekularnih plinova mnogo je kompliciraniji od spektra atomskih plinova. Pored sličnosti u elektronskim energetskim

nivoima, molekula može imati i energetske nivoe koje pripadaju vibracijskom i rotacijskom gibanju. Prema tome, energija eksitacije koju

molekula primi, može biti distribuirana na različite stupnjeve između 4 forme pobude: elektronsku, vibracijsku, rotacijsku i translacijsku.

Elektronska pobuda uključuje promjene u prostornoj raspodjeli elektrona koji povezuju atome u molekuli zajedno. Energija, koja se

zahtjeva za ovu pobudu je dosta velika i uključuje frekvencije iz vidljivog i ultravioletnog spektra, pa će i emisija pripadati tom području.

U vibracijskoj pobudi, atomi u molekuli vibriraju jedan u odnosu na

drugoga. Ova forma pobude zahtjeva manju energiju od elektronske, a može se postići sa energijom koja odgovara frekvenciji u infracrvenom

području spektra i rezultira u emisiji na tim frekvencijama. Rotacijska pobuda uključuje rotaciju cijele molekule. Ulazna i izlazna

energija su niže i uključuju frekvencije iz mikrovalnog područja. U vibracijskoj ekstataciji uvjek je pridružena i rotacijska podkomponenta

pobude. Translacijska pobuda, u kojoj se cijela molekula kreće s jednog mjesta

na drugo, je uvjek povezana sa toplinom.

2.4.1 CO2 laser

CO2 laser je predstavnik plinsko molekularnih lasera koji rade u području molekulskog spektra. Za pobudu tih lasera upotrebljava se

električni izboj, optičko, hemijsko i toplinsko pumpanje. U nekim laserskim

sistemima za pobudu molekula predajom energije prilikom sudara, te za izmjenu brzine pražnjenja radnih razina u osnovnom plinu, dodaju se

pomoćne komponente, tako na primjer osnovnom plinu u laseru s ugljik-dioksidom dodaju se dušik i helij. Taj laser daje zračenje velike snage i

ima visoki stupanj djelovanja u impulsnom i kontinuiranom načinu rada. Od svih dostupnih, ovi laseri su laseri sa najjačom snagom pri

kontinuiranom radu.

15

Slika 12. Energetski nivoi pobuđivanja CO2 lasera,

CO2 laseri mogu proizvoditi izlazne talasnu dužinu od oko 9 mikro-

metara ( ili microna) pa do 11 mikrona. (jedan mikron je milioniti dio

metra, ili 1000nm). Ovi izlazi općenito sadrže mnogo blisko razmaknutih talasnih dužina, ako se laser koristi kao za visoke snage. Ali za više

talasnodužinskih posebnih aplikacija optički rezonator lasera je dizajniran da poveća samo jednu ili par vibracionih radijaciskih raspadnih linija.

Raspon širenja talasne duzine CO2 lasera je mali, oko 5-6 . Još jedna karakteristika ovih gasnih lasera koja ih čini jednim od najmnogostranijih

od svih gasnih lasera je da mogu biti napravljeni da rade preko velikog dometa izlazne snage, ili u pulsnom ili kontinuiranom nacinu rada. CO2

laser, naročito, ima domet u kontinuiranoj snazi od nekoloko wati do [kW], sto čini ove lasere pogodnim za mnoge industrijske primjene

uključujući zavarivanje i bušenje.

Molekulska vibracija za CO2, linearni molekuli, je prikazana na slici 12. Moguće su i ostale kombinacije ali ove tri su temeljne. Postoje različite

varijante CO2 lasera koji puštaju svježe gasove kroz podrućje rezonantne

supljine da bi kako otklonili vrućnu tako dobavili puno gasa za postizanje visoke snage lasera. Za ove lasere u kontinuiranom radu snaga moze

porasti do 100[kW]. Ove jake laserske zrake su u sustini velike nevidljive ''vruce'' zrake koje mogu rezati kroz tanke dijelove metala i intezivno su

koristene i u industrijskoj primjeni.

16

Slika 13. Vibracije molekula

Treba spomenuti dvije interesantne činjenice o ovim laserima. Prva, kako staklo nije transparentno IR zrakama, ogledala su zapravo

napravljena od specijalnih kristalastih materijala koji su transparentni IR zrakama. Druga, znajuci da IR svjetlo je nevidljivo nasim ocima posebne

mjere opreza su potrebne da bi se zastitili ljudi koji rade oko ovih lasera. Ispostavlja se da iako ovi laseri mogu rezati metal, ne mogu proci kroz

tanku plocu cistog pleksiglasa, i tako često su ovi sistemi smješteni u

ljusku pleksiglasa da bi blokirali zalutalo reflektovano IR svjetlo.

Kontinuirani laseri s ugljik-dioksidom uz stepen djelovanja od 20% daju obično snage od 100[W] do 150[W]. U smjesi ugljik-dioksida, dušika

i helija, u cijevi duljine 2m, istosmjernim naponom od 10kV održava se struja izboja od 100mA. Cijev se hladi vodom. Pri izboju u plinu se

stvaraju različiti hemijski spojevi koji ograničavaju laserski izlaz. Zato se plin u cijevi stalno zamjenjuje plinom iz spremišta. Time se ovi štetni

proizvodi uklanjaju, a u cijevi se radi s plinom stalnog sastava.

Impulsni laseri s ugljik-dioksidom i Q-prekidanjem (Slika 13). Zbog dugog vremena života vibracijskih razina, o kojima ovisi laserska akcija u

ugljik-dioksidu, može se uskladištiti energija u izbojnoj sredini u trajanju od oko 1ms blokiranjem laserske zrake unutar rezonatora i tako spriječiti

oscilacije. Ako se blokada odjednom odstrani, tada laser emitira u obliku

oštrog impulsa kojemu je vršna snaga oko 1000 puta veća od prosječne snage kontinuiranog rada. Takav se način rada zove Q-prekidanje (engl.

Q-switching) i najlakše se ostvaruje zamjenom jednog zrcala rezonatora rotirajućim zrcalom. Trajanje impulsa je oko 150-500 ns s frekvencijama

od 400 bljeskova u sekundi. Tako su dobiveni impulsi vršne snage od stotinjak kilovata.

17

Slika 14. Shema CO2 lasera sa Q-prekidačem

Konstrukcija CO2 – N2 lasera

Plinska cijev lasera na sistemu CO2 – N2 mnogo je složenija od cijevi za ostale plinske lasere. Ona se u biti sastoji od dijela kroz koje se dovodi

CO2, dijela kroz koji se dovodi pobuđeni dušik i interakcijskog dijela, gdje se miješaju oba plina i gdje se ostvaruje selektivna pobuda CO2 (Slika 14).

Nepobuđeni dušik ulazi kroz poseban otvor, prolazi kroz eksitacijsko područje, gdje se odvija plinski izboj pomoću oscilirajućeg električnog

polja. Dušik, koji je sada pobuđen, ulazi u interakcijsko područje, gdje se miješa sa nepobuđenim CO2 uz ostvarenje sudara i rezonantnog transfera

energije, a zatim izlazi iz sistema. Budući da je to sistem kontinuiranog toka, N2 molekule koje dolaze

iz izbojnog područja pumpaju se u interakcijsko područje, u vremenu koje mora biti malo u usporedbi sa vremenom života njihovih pobuđenih

stanja. Za ostvarivanje laserske akcije na ovom sistemu potrebna je

električna struja kroz cijev oko 5-30 [mA], a napon na elektrodama 5-10[kV].

Slika 15. Konstrukcija CO2 – N2 lasera

18

Slika 16. Tipičan izgled cijevi CO2 lasera

Primjena CO2 lasera:

I N D U S T R I J A

- Rezanje

Lasersko rezanje je proces otklanjanja materijala u jednoj ili više osa koji

za rezultat ima odvajanje materijala. Lasersko rezanje je najveće industrijsko područje CO2 lasera, i

naročito je koncentrisano na profilisanje limova koje bi se inače radilo probijanjem, ručno, itd. Trenutno, rezanje metala se vrši u razmaku od 1

[mm] do 25 [mm] debljine. Nemetali, kao što su akrili, plasitka i slično u razmaku od 1[mm] do 12 [mm]. Problemi kod laserskog rezanja su:

refleksija svjetlosti koja ide nazad u laser, kako postupati prema radnom

komadu, kako zaštititi sočiva od otpadaka.

Slika 17. Prikaz nekih primjera laserskim rezanjem

- Zavarivanje

Testiranja su pokazala da jačina lasersko zavarenog spoja je čvrsta skoro kao i sami materijal. Lasersko zavarivanje je spajanje dva

materijala prouzrokovano sprovođenjem i zračenjem laserske energije apsorbovane (prihvaćene) od materijala.

19

Dokazano je da je lasersko zavarivanje veoma efektivan i izvodljiv

proces spajanja materijala, i on se počinje sve više i više koristiti u automobilskoj industriji.

Slika 18. Prikaz nekih primjera laserskog zavarivanja

- Bušenje

50

150

Slika 19. Lasersko bušenje otvora malih dimenzija

- Graviranje

2.5mm x 3mm (snaga 9 W)

Slika 20. Lasersko graviranje

20

M E D I C I N A

CO2 laser je specijalizirani laser koji je ispunjen sa CO2 gasom i

koristi IC emisione spektre za rezanje tkiva uz apsorpciju toplote. To je

jedan od najčešće upotrebljavanih lasrera u hirurgiji i dobar je za precizno rezanje i isparavanje (vaporizaciju) tkiva, npr. kod procedura lijecenja

površinkih povreda ili kod uklanjanja malih dijelova tkiva. Ovaj laser se koristi kod očnih plastičnih operacija, da se uklone bore

oko ociju. Laser precizno uklanja krajnje slojeve kože i one koja leži ispod, omogućavajući regeneraciju nove kože bez bora (slika 21).

Slika 21. Operacija bora (prije i poslije)

Ovdje su prikazani samo neki primjeri medicinskih zahvata sa CO2

laserom, a inače se koristi u velikoj primjeni u medicini.

21

3. Zaštita pri radu sa laserima

Opasnosti od lasera se mogu podjeliti u dvije generalne kategorije:

1. Opasnosti prouzrokovane od laserske zrake (na oči i kožu); 2. Opasnosti prouzrokovane od durgih efekata (električne i hemijske

opasnosti).

Opasnosti prouzokovane od laserske zrake

Neispravno korišteni laserski uređaji mogu biti opasni. Učinci se mogu mjeriti od blago opečene kože do nepovratnih povreda kože i oka.

Biološka oštećenja uzrokovana laserima nastaju kroz termalne, akusticne i fotohemijske procese.

Termalni efekti su uzrokovani rastom temperature u pratećoj

apsorpciji laserske energije. Ozbiljnost štete ovisi o nekoliko faktora, uključujući dužinu izlaganja, talasnu dužinu zrake, snazi zrake, oblasti i

vrsti tkiva.

Akustični efekti uzrokovani mehaničkim talasnim udarom, prolazeći kroz tkivo u konačnici ga ostećuju. Ovo se dešava kada laserska zraka

uzrokuje lokalno isparavanje tkiva, uzrokujući talasni udar slican talasima kada bacimo kamen u jezerce.

Izlaganje zraci moze takođe uzrokovati fotohemijske efekte kada fotoni stupaju u vezu sa ćelijama tkiva. Promjena u hemiskoj strukturi

ćelije može rezultirati ostecenjem ili promjenom tkiva. Fotohemijski efekti ovisit će većinom o talasnoj dužini.

Najveća opsanost laserskog svjetla je opasnost ulaska zrake u oko.

Oko je organ najviše osjetljiv na svjetlo. Jednako kao sto se povećalo može koristiti kao žiža i zapaliti drvo tako leće u ljudskom oko fokusiraju

zraku u malu tačku i mogu spržiti mrežnjaču oka. Laserska zraka malog razilaženja koja uđe u oko može biti orijentirana suženjem na površinu

prečnika od 10-20 mikrona. Najbitnije od svega je da se laser zraka, ni u

kom slučaju, bez obzira kolike je snage laser, ne smije usmjeriti pravo u oko. Zato se pri radu sa laserom koriste zaštitne naočale koje su

napravljene od posebnog materijala (slika 22).

Slika 22. Zaštitne naočale

22

Laseri mogu naškoditi koži putem fotohemijskog ili termalnog

plamena. Ovisno o talasnoj dužini, zraka moze penetrirati i u epidermis i u dermis tj. u razlicite slojeve kože. Epiderma je krajnji omotač kože. Ona

apsorbira duge i srednje ultraviolene zrake (aktične UV zrake). Kratko –

toplotno izlaganje zraci moze rezultirati opekotinama slične onima koje nastaju od sunca (crvenilo i plikovi). Izlaganje UV zrakama je takođe

povezano sa povećanim rizikom razvijanja raka kože i preranog starenja kože (nastanak bora, itd.).

Opasnosti prouzrokovane drugim efektima

U poređenju sa opasnostima koje su prouzrokovane laserskom

zrakom, ove opasnosti se mogu pojaviti od kompresiranih gasnih cilindara, niskotemperaturnih i otrovnih materijala, ioniziranog zračenja i električnog

udara. Kompresirani gasovi

Mnoštvo hazardnih (opasnih) gasova se koristi u laserskim

aplikacijama, uključujući hlor, fluor, hlorovodonik i fluorovodonik.

Prioritetno je korištenje mješavina sa inertnim gasovima, rjeđe nego sa čistim gasovima. Hazardni gasovi bi trebali biti stavljeni u posebnim

iscrpljenim omotačima, sa gasovima stalnim strujanjem do lasera, koristeći preporučene metalne cijevi i opremu.

Drugi tipični problemi koji se pojavljuju kada koristimo kompresovane

gasove su: rad sa slobodnim cilindrima neizolovanih od osoblja;

iskljucenje regulatora, oslobađanje sadržaja u atmosferu; gasovi razlicitih kategorija (toksicni, korozivni, zapaljivi, oskidansi,

inertni, pod visokim pritiskom i kriogenicni) nisu uskladišteni odvojeno, itd.

Električne opasnosti

Pri korištenju lasera ili laserskih sistema, oni mogu prozrokovati električni udar. Ovo se može pojaviti od kontakta sa eksponiranim

iskorištenjem struje, upravljanjem aparata i strujnim provodnicima koji rade na potencijalima od 50 volti ili više. Ovakva izlaganja se mogu

pojaviti prilikom postavljanja i instalacije lasera, održavanjem i servisiranjem, gdje su zaštitni pokrivači su često sklonjeni da bi dopustili

prolaz aktivnim komponentama, što se u stvari i zahtjeva kod tih aktivnosti. Efekat može prouzrokovati od malih podrhtavanja, do ozbiljnih

povreda ili smrti. Zaštita protiv slučajnog kontakta sa pobuđenim provodnicima, pod čemu se podrazumjeva zaštitni sistem je primarna

metodologija da se preventira električni udar.

23

ZAKLJUČAK

Kao što smo vidjeli, plinski laseri se danas koriste u velikom spektru medicine, industrije i drugih oblasti, čak je neke od njih danas nezamislivo

vršiti bez laserskih tehnologija. Sa laserkskim tehnologijama, otkrile su se čak i nove grane u nekim oblastima, koje inače bez lasera nisu izvodljive,

ili ih je veoma teško izvesti. Visoke cijene, laseri pravdaju visokim kvalitetom, brzinom rada, kao i samom konstrukcijom, kojom se mogu

uklopiti i u proizvodne sisteme (CNC upravljanje, robotika, itd.). Treba uzeti u obzir da su laserske tehnologije još u razvoju, da će

dolaziti do novih otkrića u ovom uzbudljivom području fizike, da će i

budući uticaj svakako biti velik. Poticajno je biti suvremenikom tih otkrića.

24

LITERATURA

1. Internet

2.

3.