Kohlendioxidlaser sind Gaslaser, die Infrarotstrahlung aussenden. Sie werden für eine Vielzahl von industriellen Hochleistungsanwendungen eingesetzt. Wie im Leitfaden zur Auswahl von Lasern beschrieben, bestehen alle Laser aus drei Komponenten: einer Energiequelle (auch als Pumpe bezeichnet), einem Verstärkungsmedium (oder Laser) und einem optischen Resonator. Diese Komponenten sind im nachstehenden Diagramm gekennzeichnet. Die Pumpe dient dazu, Energie bereitzustellen, die durch das Verstärkungsmedium verstärkt wird. Diese Energie wird schließlich in Licht umgewandelt und durch den optischen Resonator reflektiert, der dann den endgültigen Ausgangsstrahl aussendet.
Bildnachweis: EnlightenYourMind
Alle Gaslaser beruhen auf der Anregung von Gasen, um die Energie zu verstärken; wenn man das obige Bild betrachtet, fungiert das Gas als Lasermedium. Insbesondere Kohlendioxidlaser bestehen aus folgenden Komponenten:
- Elektrischer Strom, der als Laserpumpe dient und das Gasmedium anregt.
- Ein Gasgemisch, das als Verstärkungsmedium dient und aus Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserstoff und Helium besteht. Kohlendioxid, Stickstoff und Helium machen den größten Teil des Gemischs aus, obwohl die spezifischen Konzentrationen je nach Verwendungszweck des Lasers variieren. Typische Gasgemische haben ein Verhältnis von N2:CO2:He von 1:1:8.
- Ein spezieller optischer Resonator. Da CO2-Laser ausschließlich im Infrarotspektrum arbeiten und hohe Leistungen erreichen können, bestehen ihre optischen Komponenten in der Regel aus speziellen (und oft teuren) Materialien wie Germanium, Zinkselenid, Silber, Gold und Diamant.
Wenn elektrischer Strom in das Verstärkungsmedium eingeleitet wird, werden die Stickstoffmoleküle zu Schwingungen angeregt. Da diese Moleküle ausschließlich aus Stickstoff bestehen, behalten sie diese Schwingungsenergie über lange Zeiträume bei. Anschließend regen die schwingenden Stickstoffmoleküle die Kohlendioxidmoleküle so weit an, dass das Verstärkungsmedium zu einem effektiven Verstärker für die gepumpte Energie wird. Wenn die Stickstoffmoleküle mit kalten Heliumatomen in Kontakt kommen, werden sie allmählich weniger angeregt und geben Energie in Form von Wärme an das Helium ab. Die heißen Heliumatome müssen dann gekühlt werden, um mit den angeregten Kohlendioxidatomen eine Besetzungsinversion aufrechtzuerhalten (ein ausreichender Unterschied zwischen angeregten und niederenergetischen Atomen, um einen optischen Gewinn zu erzeugen). Diese Vorgänge sind in der folgenden Grafik dargestellt.
Bildnachweis: Kansas State University
Das folgende Bild zeigt ein typisches CO2-Lasersystem. In diesem Bild liefern die Schalttafel, der Transformator und der Gleichrichter den elektrischen Strom für die Pumpe, während der Tank in der Mitte das Gasgemisch in den Laser einspeist. Das Wasserpumpensystem kühlt die Seiten des Lasers, so dass heiße Heliumatome weniger angeregt werden, wenn sie auf die wassergekühlten Wände treffen.
Bildnachweis: Jon’s Lasers
Anwendungen
CO2-Laser weisen viele Eigenschaften auf, die sie für industrielle und materialverarbeitende Anwendungen ideal geeignet machen. Einige dieser Eigenschaften sind:
- Geringe Kosten im Verhältnis zur Leistung (oft weniger als 100 $ pro Watt)
- Hoher Wirkungsgrad (Verhältnis von Ausgangs- zu Pumpleistung von bis zu 20 %)
- Große Variationsmöglichkeiten der Ausgangsleistung
- Lange Lebensdauer
- Viele mögliche Ausgangswellenformen
- Minütige Änderungen der Gaskonzentration ermöglichen die Auswahl aus Hunderten von diskreten Infrarot-Wellenlängen
Kohlendioxidlaser werden am häufigsten beim Laserschneiden und -schweißen eingesetzt, oder – bei Geräten mit geringerer Leistung – zum Lasergravieren und -markieren. Da Wasser (das den größten Teil des biologischen Gewebes ausmacht) die Infrarotstrahlung gut absorbiert, werden CO2-Laser auch in der Medizin eingesetzt, z. B. in der Laserchirurgie, bei der Hauterneuerung, bei der Hautabschleifung und neuerdings auch zum „Verschweißen“ von menschlichem Gewebe anstelle von Nähten.
Das folgende Video zeigt einen 250-Watt-CNC-CO2-Laser beim Schneiden von Blechen.
Videokredit: Owen White
Spezifikationen
Wellenlänge
Im Vergleich zu anderen Lasern beschränken sich CO2-Laser auf einen relativ kleinen Wellenlängenbereich, der ausschließlich im Infrarot (IR)-Spektrum liegt. Kohlendioxidlaser emittieren fast immer Licht im Bereich von 9,4 μm bis 10,6 μm, was etwa 28,3 Terahertz (THz) bis 31,9 THz entspricht. Wie bereits erwähnt, können CO2-Laser dank der Möglichkeit, die Gaskonzentration im Verstärkungsmedium zu variieren, so hergestellt werden, dass sie präzise diskrete Frequenzen innerhalb ihres allgemeinen Bereichs emittieren.
Ausgangsleistung
CO2-Laser werden vom Hersteller in der Regel mit einer bestimmten Ausgangsleistung versehen. Sie werden oft als Hochleistungsgeräte eingestuft, wobei einige kontinuierlich 60 kW (6000 W) Strahlen aussenden. Die Leistung eines Lasers bestimmt in der Regel seine Anwendung; so eignet sich ein Hochleistungslaser am besten zum Schneiden und Schweißen, während ein Gerät mit geringerer Leistung zur Kennzeichnung von Strichcodes und Etiketten verwendet werden kann.
Sicherheit
Die Lasersicherheit ist aufgrund der hohen Leistung ein wichtiges Thema, wenn es um den Einsatz von Kohlendioxidlasern geht. Selbst der Bruchteil einer Sekunde direkter Einwirkung eines 200 mW-Lasers, der in 100 m Entfernung strahlt, kann zu dauerhaften Augenschäden führen; wenn man bedenkt, dass ein CO2-Laser aus nächster Nähe Tausende von Watt Leistung abgeben kann, kann ein direkter Kontakt sofort zu Verbrennungen der Augen oder der Haut des Bedieners führen.
Ein Laserwarnschild, einschließlich Angaben zu Spezifikationen und Klasse. Bildnachweis: Keller Studio
Um den oben genannten Bedenken Rechnung zu tragen, hat das Center for Devices and Radiological Health (CDRH) – eine Abteilung der US Food and Drug Administration (FDA) – ein Klassifizierungssystem für Lasersicherheit entwickelt, das auf sechs Produktklassen basiert. Auch in der internationalen Norm IEC 60825 werden Laser in verschiedene Klassen eingeteilt. In der nachstehenden Tabelle sind sowohl die US-amerikanischen als auch die internationalen Klassen für Lasersicherheit beschrieben; die meisten CO2-Laser fallen unter die Klasse 4.
Laser-Sicherheitsklassen. Bildnachweis: Erchonia