Hiilidioksidilaserit ovat kaasulasereita, jotka lähettävät infrapunasäteilyä. Niitä käytetään erilaisissa suuritehoisissa teollisissa sovelluksissa. Kuten Lasers Selection Guide -oppaassa käsitellään, kaikki laserit koostuvat kolmesta komponentista: energialähteestä (tunnetaan myös nimellä pumppu), vahvistusmediasta (tai laserista) ja optisesta resonaattorista. Nämä komponentit on merkitty alla olevaan kaavioon. Pumppu tuottaa energiaa, jota vahvistava väliaine vahvistaa. Tämä energia muuttuu lopulta valoksi ja heijastuu optisen resonaattorin läpi, joka sitten emittoi lopullisen ulostulosäteen.
Kuvan luotto: EnlightenYourMind
Kaikki kaasulaserit perustuvat kaasujen herättämiseen energian vahvistamiseksi; kun otetaan huomioon yllä oleva kuva, kaasu toimii lasermediana. Erityisesti hiilidioksidilaserit koostuvat seuraavista komponenteista:
- Sähkövirta – joka toimii laserpumppuna – joka herättää kaasumediaa.
- Kaasuseos – joka toimii vahvistusmediana – joka koostuu hiilidioksidista, typestä, vedystä ja
heliumista. Hiilidioksidi, typpi ja helium muodostavat suurimman osan seoksesta, vaikka erityispitoisuudet vaihtelevat laserin käyttötarkoituksen mukaan. Tyypillisten kaasuseosten N2:CO2:He-suhde on 1:1:8. - Erikoistunut optinen resonaattori. Koska CO2-laserit toimivat yksinomaan infrapunaspektrissä ja niillä voidaan saavuttaa suuria tehoja, niiden optiset komponentit valmistetaan tyypillisesti erikoistuneista (ja usein kalliista) materiaaleista, kuten germaniumista, sinkkiselenidistä, hopeasta, kullasta ja timantista.
Kun vahvistusmediumiin syötetään sähkövirtaa, typpimolekyylit kiihdytetään värähtelytilaan. Koska nämä molekyylit koostuvat yksinomaan typestä, ne säilyttävät tämän värähtelyenergian pitkään. Seuraavaksi värähtelevät typpimolekyylit kiihdyttävät hiilidioksidimolekyylejä siinä määrin, että vahvistusmediasta tulee tehokas vahvistin pumpatulle energialle. Kun typpimolekyylit joutuvat kosketuksiin kylmien heliumatomien kanssa, niiden jännitys vähenee vähitellen ja ne siirtävät energiaa heliumiin lämmön muodossa. Kuumia heliumatomeja on sitten jäähdytettävä, jotta populaatioinversio (riittävä ero virittyneiden ja matalamman energian atomien välillä optisen vahvistuksen aikaansaamiseksi) säilyy virittyneiden hiilidioksidiatomien kanssa. Näitä prosesseja havainnollistetaan alla olevassa kuvaajassa.
Kuvan luotto: Kansasin osavaltionyliopisto
Alhaalla olevassa kuvassa on tyypillinen CO2-laserjärjestelmä. Tässä kuvassa tehopaneeli, muuntaja ja tasasuuntaaja tuottavat sähkövirtaa pumppuna, kun taas keskellä oleva säiliö syöttää kaasuseoksen laseriin. Vesipumppujärjestelmä huolehtii laserin sivujen jäähdytyksestä, jotta kuumat heliumatomit innostuvat vähemmän törmätessään vesijäähdytteisiin seinämiin.
Kuvan luotto: Jon’s Lasers
Sovellukset
CO2-lasereilla on monia ominaisuuksia, joiden ansiosta ne soveltuvat erinomaisesti teollisiin ja materiaalinkäsittelyn sovelluksiin. Joitakin näistä ominaisuuksista ovat mm:
- Matalat kustannukset suhteessa tehokapasiteettiin (usein alle 100 dollaria per watti)
- Korkea hyötysuhde (ulostulon ja pumpun suhde jopa 20 %)
- Laaja mahdollinen vaihtelu ulostulotehossa
- Pitkä käyttöikä
- Monet mahdollisia ulostulon aaltomuotoja
- Minuutin muutokset kaasukonsentraatiossa antavat mahdollisuuden valita sadoista erillisistä infrapuna-aallonpituuksista
Hiilidioksidilasereita käytetään yleisimmin laserleikkauksessa ja -hitsauksessa, tai – pienitehoisemmissa laitteissa – laserkaiverruksessa ja -merkinnässä. Koska vesi (joka muodostaa suurimman osan biologisista kudoksista) absorboi hyvin infrapunasäteilyä, hiilidioksidilasereita käytetään myös lääketieteellisissä sovelluksissa, kuten laserkirurgiassa, ihon pintakäsittelyssä, dermahionnassa ja viime aikoina myös ihmiskudoksen ”hitsaamiseen” ompeleiden sijasta.
Alhaalla olevalla videolla näytetään, kuinka 250 watin CNC-laser leikkaa metallilevyä.
Videon luotto: Owen White
Tekniset tiedot
Aallonpituus
Muihin lasereihin verrattuna hiilidioksidilaser rajoittuu suhteellisen pienelle aallonpituusvalikoimalle, joka esiintyy yksinomaan infrapunaspektrissä. Hiilidioksidilaserit säteilevät lähes aina valoa 9,4 μm-10,6 μm:n kaistalla, joka vastaa noin 28,3 terahertsiä (THz) – 31,9 THz. Kuten edellä mainittiin, hiilidioksidilasereita voidaan valmistaa siten, että ne säteilevät tarkkoja erillisiä taajuuksia yleisellä alueella.
Lähdöteho
Hiilidioksidilasereilla on yleensä valmistajan ilmoittama lähtöteho. Ne luokitellaan usein suuritehoisiksi laitteiksi, ja jotkin niistä lähettävät jatkuvia 60 kW (6000 W) säteitä. Laserin teho määrittää tyypillisesti sen käyttökohteen; esimerkiksi suuritehoinen laser soveltuu parhaiten leikkaamiseen ja hitsaamiseen, kun taas pienitehoisempaa laitetta voidaan käyttää viivakoodien ja etikettien merkitsemiseen.
Turvallisuus
Laserturvallisuus on tärkeä aihe keskusteltaessa hiilidioksidilasereiden käytöstä niiden suuritehoisten ominaisuuksien vuoksi. Jopa sekunnin murto-osan suora altistuminen 200 mW:n laserille, joka säteilee 100 metrin etäisyydellä, voi aiheuttaa pysyvän silmävaurion; kun otetaan huomioon, että hiilidioksidilaser voi lähietäisyydellä säteileä tuhansia watteja tehoa, suora kosketus voi polttaa käyttäjän silmät tai ihon välittömästi.
Laserista varoittava kyltti, johon on merkitty spesifikaatiot ja luokka. Kuvan luotto: Keller Studio
Yllä mainittujen huolenaiheiden käsittelemiseksi Center for Devices and Radiological Health (CDRH) – Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeviraston (FDA) osasto – tarjoaa laserturvallisuusluokitusjärjestelmän, joka perustuu kuuteen tuoteluokkaan. Lasereita eritellään myös kansainvälisessä IEC 60825 -standardissa kuvattuihin eri luokkiin. Alla olevassa taulukossa kuvataan sekä Yhdysvaltojen kotimaiset että kansainväliset laserturvallisuusluokat; useimmat CO2-laserit luokitellaan luokan 4 laitteiksi.
Laserturvallisuusluokat. Kuvan luotto: Erchonia