Koldioxidlasere er gaslasere, der udsender infrarød stråling. De anvendes til en række industrielle anvendelser med høj effekt. Som beskrevet i Lasers Selection Guide består alle lasere af tre komponenter: en energikilde (også kendt som pumpe), et forstærkningsmedium (eller lasermedium) og en optisk resonator. Disse komponenter er mærket i nedenstående diagram. Pumpen leverer energi, som forstærkes af forstærkningsmediet. Denne energi omdannes til sidst til lys og reflekteres gennem den optiske resonator, som derefter udsender den endelige udgangsstråle.
Image credit: EnlightenYourMind
Alle gaslasere er afhængige af excitation af gasser for at forstærke energien; hvis man ser på billedet ovenfor, fungerer gassen som lasermedium. Især kuldioxidlasere består af følgende komponenter:
- Elektrisk strøm – der tjener som laserpumpe – som exciterer gasmediet.
- En blanding af gasser – der tjener som forstærkningsmedie – bestående af kuldioxid, nitrogen, brint og helium. Kuldioxid, nitrogen og helium udgør langt størstedelen af blandingen, selv om de specifikke koncentrationer varierer afhængigt af laserens tilsigtede anvendelse. Typiske gasblandinger har et N2:CO2:He-forhold på 1:1:8.
- En specialiseret optisk resonator. Da CO2-lasere udelukkende opererer inden for det infrarøde spektrum og kan opnå høj effekt, er deres optiske komponenter typisk fremstillet af specialiserede (og ofte dyre) materialer som germanium, zinkselenid, sølv, guld og diamant.
Når der tilføres elektrisk strøm til forstærkningsmediet, ophidses kvælstofmolekylerne til en vibrationstilstand. Da disse molekyler udelukkende består af kvælstof, vil de beholde denne vibrationsenergi i lange perioder. Derefter ophidser de vibrerende kvælstofmolekyler kuldioxidmolekylerne i en sådan grad, at forstærkningsmediet bliver en effektiv forstærker for den pumpede energi. Efterhånden som kvælstofmolekylerne kommer i kontakt med kolde heliumatomer, bliver de gradvist mindre exciterede og overfører energi til heliumet i form af varme. De varme heliumatomer skal derefter afkøles for at opretholde en populationsinversion (en tilstrækkelig forskel mellem de exciterede atomer og atomer med lavere energi til at producere optisk forstærkning) med de exciterede kuldioxidatomer. Disse processer er illustreret i nedenstående graf.
Image credit: Kansas State University
Billedet nedenfor viser et typisk CO2-lasersystem. På dette billede leverer strømtavlen, transformeren og ensretteren elektrisk strøm som pumpen, mens tanken i midten fører gasblandingen ind i laseren. Vandpumpesystemet sørger for køling af lasersiderne, så de varme heliumatomer bliver mindre ophidsede, når de støder mod de vandkølede vægge.
Billedkredit: Jon’s Lasers
Anvendelser
CO2-lasere har mange egenskaber, som gør dem ideelt egnede til industrielle og materialeforarbejdende anvendelser. Nogle af disse egenskaber omfatter bl.a:
- Lav pris i forhold til effektmulighederne (ofte mindre end 100 $ pr. watt)
- Høj effektivitet (output til pumpeforhold på op til 20 %)
- Vid mulig variation i udgangseffekt
- Lang levetid
- Mange mulige udgangsbølgeformer
- Minutevise ændringer i gaskoncentrationen giver mulighed for at vælge mellem hundredvis af diskrete infrarøde bølgelængder
Koldioxidlasere anvendes hyppigst til laserskæring og svejsning, eller – for apparater med lavere effekt – til lasergravering og mærkning. Da vand (som udgør størstedelen af biologisk væv) absorberer infrarød stråling godt, anvendes CO2-lasere også til medicinske formål som f.eks. laserkirurgi, hudforbedring, dermabrasion og for nylig til at “svejse” menneskeligt væv i stedet for suturer.
Videoen nedenfor viser en 250 watt computer numerisk styring (CNC) CO2-laser, der skærer metalplader.
Video credit: Owen White
Specifikationer
Bølgelængde
Sammenlignet med andre lasere er CO2-lasere begrænset til et relativt lille område af bølgelængder, der udelukkende forekommer inden for det infrarøde (IR) spektrum. Kuldioxidlasere udsender næsten altid lys inden for båndet 9,4 μm til 10,6 μm, hvilket svarer til ca. 28,3 terahertz (THz) til 31,9 THz. Som nævnt ovenfor gør muligheden for at variere gaskoncentrationerne i forstærkningsmediet det muligt at fremstille CO2-lasere til at udsende præcise diskrete frekvenser inden for deres generelle område.
Udgangseffekt
CO2-lasere er typisk forsynet med en nominel udgangseffekt fra fabrikanten. De er ofte klassificeret som højeffekt-enheder, og nogle af dem udsender kontinuerlige stråler på 60 kW (6000 W). En lasers effekt bestemmer typisk dens anvendelse; f.eks. er en laser med høj effekt bedst egnet til skæring og svejsning, mens en enhed med lavere effekt kan bruges til mærkning af stregkoder og etiketter.
Sikkerhed
Lasersikkerhed er et vigtigt emne, når man diskuterer brugen af kuldioxidlasere på grund af deres høje effekt. Selv et splitsekunds direkte eksponering for en 200 mW laser, der udsender 100 meter væk, kan forårsage permanent øjenskade; i betragtning af at en CO2-laser kan udlede tusindvis af watt effekt på tæt afstand, kan direkte kontakt øjeblikkeligt brænde en operatørs øjne eller hud.
Et laseradvarselsskilt, herunder specs og klasse. Image credit: Keller Studio
For at imødekomme ovenstående bekymringer tilbyder Center for Devices and Radiological Health (CDRH) – en afdeling af US Food and Drug Administration (FDA) – en klassifikationsordning for lasersikkerhed baseret på seks produktklasser. Lasere er også specificeret efter forskellige klasser, der er beskrevet i den internationale IEC 60825-standard. Nedenstående tabel beskriver både amerikanske nationale og internationale klasser for lasersikkerhed; de fleste CO2-lasere kvalificerer sig som klasse 4-udstyr.
Lasersikkerhedsklasser. Billede: Erchonia