Lasery na bázi oxidu uhličitého jsou plynové lasery, které vyzařují infračervené záření. Používají se pro různé průmyslové aplikace s vysokým výkonem. Jak je uvedeno v Průvodci výběrem laserů, všechny lasery se skládají ze tří součástí: zdroje energie (známého také jako čerpadlo), zesilovacího (nebo laserového) média a optického rezonátoru. Tyto součásti jsou označeny na níže uvedeném schématu. Čerpadlo slouží k dodávce energie, která je zesílena zesilovacím prostředím. Tato energie se nakonec přemění na světlo a odrazí se od optického rezonátoru, který pak vyzáří konečný výstupní paprsek.
Image credit: EnlightenYourMind
Všechny plynové lasery jsou při zesilování energie založeny na excitaci plynů; vzhledem k výše uvedenému obrázku funguje plyn jako laserové médium. Zejména lasery na bázi oxidu uhličitého se skládají z následujících komponent:
- Elektrický proud – sloužící jako laserová pumpa – který excituje plynné médium.
- Směs plynů – sloužící jako zesilovací médium – složená z oxidu uhličitého, dusíku, vodíku a
helia. Oxid uhličitý, dusík a helium tvoří převážnou většinu směsi, i když konkrétní koncentrace se liší v závislosti na zamýšleném použití laseru. Typické směsi plynů mají poměr N2:CO2:He 1:1:8. - Specializovaný optický rezonátor. Protože CO2 lasery pracují výhradně v infračerveném spektru a mohou dosahovat vysokých výkonů, jsou jejich optické komponenty obvykle vyrobeny ze specializovaných (a často drahých) materiálů, jako je germanium, selenid zinečnatý, stříbro, zlato a diamant.
Při zavedení elektrického proudu do zesilovacího média jsou molekuly dusíku excitovány do vibračního stavu. Protože se tyto molekuly skládají výhradně z dusíku, udrží si tuto vibrační energii po dlouhou dobu. Dále vibrující molekuly dusíku excitují molekuly oxidu uhličitého do té míry, že se zesilovací médium stane účinným zesilovačem čerpané energie. Když se molekuly dusíku dostanou do kontaktu s chladnými atomy helia, postupně se přestanou excitovat a předají energii heliu ve formě tepla. Horké atomy helia pak musí být ochlazovány, aby byla zachována populační inverze (dostatečný rozdíl mezi excitovanými atomy a atomy s nižší energií pro vznik optického zisku) s excitovanými atomy oxidu uhličitého. Tyto procesy jsou znázorněny na následujícím grafu.
Obrázek: Kansas State University
Následující obrázek ukazuje typický laserový systém CO2. Na tomto obrázku napájecí panel, transformátor a usměrňovač dodávají elektrický proud jako čerpadlo, zatímco nádrž uprostřed přivádí směs plynů do laseru. Systém vodního čerpadla zajišťuje chlazení bočních stěn laseru, takže horké atomy helia jsou při srážce s vodou chlazenými stěnami méně excitovány.
Image credit: Jon’s Lasers
Aplikace
Lasery CO2 se vyznačují mnoha vlastnostmi, díky nimž se ideálně hodí pro průmyslové aplikace a zpracování materiálů. Mezi tyto vlastnosti patří např:
- Nízká cena v poměru k výkonovým možnostem (často méně než 100 dolarů za watt)
- Vysoká účinnost (poměr výstupu k výkonu čerpadla až 20 %)
- Široká možná variabilita výstupního výkonu
- Dlouhá životnost
- Mnoho funkcí, které se dají využít v praxi. možných průběhů výstupu
- Minutové změny koncentrace plynu umožňují výběr ze stovek diskrétních infračervených vlnových délek
Lasery na bázi oxidu uhličitého se nejčastěji používají při laserovém řezání a svařování, nebo – u zařízení s nižším výkonem – při laserovém gravírování a značení. Také proto, že voda (která tvoří většinu biologických tkání) dobře pohlcuje infračervené záření, používají se lasery CO2 v lékařských aplikacích, jako je laserová chirurgie, resurfacing kůže, dermabraze a v poslední době i ke „svařování“ lidských tkání místo stehů.
Níže uvedené video ukazuje 250wattový CO2 laser s počítačovým numerickým řízením (CNC), který řeže plech.
Video credit: Owen White
Specifikace
Vlnová délka
V porovnání s jinými lasery se CO2 lasery omezují na relativně malý rozsah vlnových délek vyskytujících se výhradně v infračerveném (IR) spektru. Lasery na bázi oxidu uhličitého téměř vždy vyzařují světlo v pásmu 9,4 μm až 10,6 μm, což odpovídá zhruba 28,3 terahertzům (THz) až 31,9 THz. Jak bylo uvedeno výše, možnost měnit koncentraci plynu v zesilovacím médiu umožňuje vyrábět lasery CO2 tak, aby vyzařovaly přesné diskrétní frekvence v rámci svého obecného rozsahu.
Výstupní výkon
Lasery CO2 jsou obvykle výrobcem opatřeny jmenovitým výstupním výkonem. Často jsou klasifikovány jako zařízení s vysokým výkonem, přičemž některé vyzařují kontinuální paprsky o výkonu 60 kW (6000 W). Výkon laseru obvykle určuje jeho použití; například laser s vysokým výkonem je nejvhodnější pro řezání a svařování, zatímco zařízení s nižším výkonem lze použít pro značení čárových kódů a štítků.
Bezpečnost
Bezpečnost laseru je vzhledem k jeho vysokým výkonům důležitým tématem při diskusi o použití laserů na bázi oxidu uhličitého. I zlomek vteřiny přímého působení 200 mW laseru vyzařujícího na vzdálenost 100 metrů může způsobit trvalé poškození očí; vzhledem k tomu, že CO2 laser může na krátkou vzdálenost vyzařovat výkon tisíce wattů, může přímý kontakt okamžitě popálit oči nebo kůži obsluhy.
Výstražná značka laseru, včetně specifikací a třídy. Obrázek: Keller Studio
Pro řešení výše uvedených obav poskytuje Centrum pro přístroje a radiologické zdraví (CDRH) – divize amerického Úřadu pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) – systém klasifikace bezpečnosti laserů založený na šesti třídách výrobků. Lasery jsou rovněž specifikovány podle různých tříd popsaných v mezinárodní normě IEC 60825. Níže uvedená tabulka popisuje domácí i mezinárodní třídy bezpečnosti laserů v USA; většina CO2 laserů se kvalifikuje jako zařízení třídy 4.
Třídy bezpečnosti laserů. Obrázek: Erchonia