A szén-dioxid lézerek infravörös sugárzást kibocsátó gázlézerek. Számos nagy teljesítményű ipari alkalmazáshoz használják őket. Amint azt a Lézerek kiválasztási útmutatója tárgyalja, minden lézer három komponensből áll: egy energiaforrásból (más néven pumpa), egy erősítő (vagy lézer) közegből és egy optikai rezonátorból. Ezeket a komponenseket az alábbi ábra jelöli. A pumpa energiát szolgáltat, amelyet az erősítő közeg felerősít. Ez az energia végül fénnyé alakul, és visszaverődik az optikai rezonátoron keresztül, amely aztán kibocsátja a végső kimeneti sugarat.
Image credit: EnlightenYourMind
Minden gázlézer gázok gerjesztésére támaszkodik az energia felerősítéséhez; a fenti képet figyelembe véve a gáz lézermédiumként funkcionál. Különösen a szén-dioxid lézerek a következő összetevőkből állnak:
- Elektromos áram – amely lézerpumpaként szolgál -, amely gerjeszti a gázközeget.
- A gázok keveréke – amely erősítőközegként szolgál – szén-dioxidból, nitrogénből, hidrogénből és
héliumból áll. A szén-dioxid, a nitrogén és a hélium alkotja a keverék túlnyomó többségét, bár a konkrét koncentrációk a lézer rendeltetésétől függően változnak. A tipikus gázkeverékek N2:CO2:He aránya 1:1:8. - Egy speciális optikai rezonátor. Mivel a CO2-lézerek kizárólag az infravörös spektrumban működnek, és nagy teljesítményt képesek elérni, optikai alkatrészeik jellemzően speciális (és gyakran drága) anyagokból, például germániumból, cink-szelenidből, ezüstből, aranyból és gyémántból készülnek.
Amikor elektromos áramot vezetünk az erősítő közegbe, a nitrogénmolekulák rezgési állapotba gerjesztődnek. Mivel ezek a molekulák kizárólag nitrogénből állnak, ezt a rezgési energiát hosszú ideig megőrzik. Ezután a rezgő nitrogénmolekulák gerjesztik a szén-dioxid-molekulákat, olyannyira, hogy az erősítő közeg a pumpált energia hatékony erősítőjévé válik. Ahogy a nitrogénmolekulák hideg héliumatomokkal érintkeznek, fokozatosan csökken a gerjesztésük, és hő formájában energiát adnak át a héliumnak. A forró héliumatomokat ezután le kell hűteni, hogy a gerjesztett szén-dioxid atomokkal együtt fennmaradjon a populációs inverzió (a gerjesztett és az alacsonyabb energiájú atomok közötti elegendő különbség az optikai erősítéshez). Ezeket a folyamatokat az alábbi ábra szemlélteti.
Képhitel: Kansasi Állami Egyetem
Az alábbi kép egy tipikus CO2-lézerrendszert mutat. Ezen a képen a táppanel, a transzformátor és az egyenirányító biztosítja az elektromos áramot pumpaként, míg a középen lévő tartály a gázkeveréket táplálja a lézerbe. A vízszivattyús rendszer biztosítja a lézer oldalainak hűtését, így a forró héliumatomok kevésbé gerjesztődnek, amikor a vízzel hűtött falakkal ütköznek.
Képhitel: Jon’s Lasers
Alkalmazások
A CO2-lézerek számos olyan tulajdonsággal rendelkeznek, amelyek ideálisan alkalmassá teszik őket ipari és anyagfeldolgozási alkalmazásokra. Néhány ezek közül a tulajdonságok közül:
- A teljesítményképességhez viszonyított alacsony költség (gyakran kevesebb, mint 100 dollár/watt)
- Nagy hatékonyság (a kimenet és a szivattyú közötti arány akár 20% is lehet)
- A kimenő teljesítmény széles lehetséges variációja
- Hosszú élettartam
- Számos lehetséges kimeneti hullámformák
- A gázkoncentráció percenkénti változtatása lehetővé teszi, hogy több száz diszkrét infravörös hullámhossz közül lehessen választani
A szén-dioxid lézereket leggyakrabban a lézervágás és a hegesztés területén használják, vagy – kisebb teljesítményű készülékek esetében – lézergravírozásra és jelölésre. Továbbá, mivel a víz (amely a biológiai szövetek többségét alkotja) jól elnyeli az infravörös sugárzást, a CO2-lézereket olyan orvosi alkalmazásokban használják, mint a lézeres sebészet, bőrfelszín-megújítás, dermabrázió, és újabban az emberi szövetek “hegesztésére” a varratok helyett.
A lenti videón egy 250 wattos számítógépes numerikus vezérlésű (CNC) CO2-lézer látható, amint fémlemezt vág.
Video credit: Owen White
Specifikációk
Hullámhossz
A többi lézerrel összehasonlítva a CO2-lézerek a kizárólag az infravörös (IR) spektrumban előforduló hullámhosszok viszonylag kis tartományára korlátozódnak. A szén-dioxid-lézerek szinte mindig a 9,4 μm és 10,6 μm közötti sávban bocsátanak ki fényt, ami nagyjából 28,3 terahertz (THz) és 31,9 THz közötti tartománynak felel meg. Mint fentebb említettük, az erősítőközegben lévő gázkoncentráció változtatásának képessége lehetővé teszi, hogy a CO2-lézereket az általános tartományon belüli pontos, diszkrét frekvenciák kibocsátására lehessen gyártani.
Kimenő teljesítmény
A CO2-lézereket a gyártó általában kimenő teljesítményértékkel látja el. Gyakran nagy teljesítményű eszközöknek minősülnek, egyesek 60 kW (6000 W) folyamatos sugárzást bocsátanak ki. A lézer teljesítménye jellemzően meghatározza a lézer alkalmazását; például egy nagy teljesítményű lézer leginkább vágásra és hegesztésre alkalmas, míg egy kisebb teljesítményű eszköz vonalkódok és címkék jelölésére használható.
Biztonság
A lézerbiztonság fontos téma a szén-dioxid-lézerek használatának tárgyalásakor, mivel nagy teljesítményűek. Még a másodperc töredéke alatt egy 100 méterre sugárzó 200 mW-os lézerrel való közvetlen érintkezés is maradandó szemkárosodást okozhat; figyelembe véve, hogy egy CO2-lézer több ezer watt teljesítményt sugározhat ki közvetlen távolságban, a közvetlen érintkezés azonnal megégetheti a kezelő szemét vagy bőrét.
A lézerre figyelmeztető tábla, beleértve a specifikációkat és az osztályt. Kép hitel: Keller Studio
A fenti aggályok kezelésére a Center for Devices and Radiological Health (CDRH) – az amerikai Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hivatal (FDA) egyik részlege – hat termékosztályon alapuló lézerbiztonsági osztályozási rendszert biztosít. A lézereket a nemzetközi IEC 60825 szabványban leírt különböző osztályok szerint is meghatározzák. Az alábbi táblázat mind az amerikai hazai, mind a nemzetközi lézerbiztonsági osztályokat ismerteti; a legtöbb CO2-lézer a 4. osztályba tartozó eszköznek minősül.
Lézerbiztonsági osztályok. Képhitel: Erchonia