Los láseres de dióxido de carbono son láseres de gas que emiten radiación infrarroja. Se utilizan para una variedad de aplicaciones industriales de alta potencia. Como se explica en la Guía de selección de láseres, todos los láseres constan de tres componentes: una fuente de energía (también conocida como bomba), un medio de ganancia (o láser) y un resonador óptico. Estos componentes están etiquetados en el siguiente diagrama. La bomba sirve para proporcionar energía que es amplificada por el medio de ganancia. Esta energía se convierte finalmente en luz y se refleja a través del resonador óptico, que a su vez emite el haz de salida final.
Image credit: EnlightenYourMind
Todos los láseres de gas se basan en la excitación de gases para amplificar la energía; teniendo en cuenta la imagen anterior, el gas funciona como el medio láser. Los láseres de dióxido de carbono, en particular, constan de los siguientes componentes:
- Corriente eléctrica -que sirve de bomba láser- que excita el medio gaseoso.
- Una mezcla de gases -que sirve de medio de ganancia- compuesta por dióxido de carbono, nitrógeno, hidrógeno y
helio. El dióxido de carbono, el nitrógeno y el helio constituyen la mayor parte de la mezcla, aunque las concentraciones específicas varían en función del uso previsto del láser. Las mezclas de gas típicas tienen una proporción N2:CO2:He de 1:1:8. - Un resonador óptico especializado. Dado que los láseres de CO2 operan únicamente en el espectro infrarrojo y pueden alcanzar altas potencias, sus componentes ópticos suelen estar hechos de materiales especializados (y a menudo caros) como el germanio, el seleniuro de zinc, la plata, el oro y el diamante.
Cuando se introduce corriente eléctrica en el medio de ganancia, las moléculas de nitrógeno se excitan a un estado vibracional. Dado que estas moléculas están compuestas únicamente por nitrógeno, retendrán esta energía vibracional durante largos períodos. A continuación, las moléculas de nitrógeno vibrantes excitan las moléculas de dióxido de carbono, hasta el punto de que el medio de ganancia se convierte en un amplificador eficaz de la energía bombeada. A medida que las moléculas de nitrógeno entran en contacto con los átomos fríos de helio, se vuelven gradualmente menos excitadas y transfieren energía al helio en forma de calor. Los átomos de helio calientes deben entonces enfriarse para mantener una inversión de población (una diferencia suficiente entre los átomos excitados y los de menor energía para producir una ganancia óptica) con los átomos excitados de dióxido de carbono. Estos procesos se ilustran en el gráfico siguiente.
Crédito de la imagen: Kansas State University
La imagen siguiente muestra un sistema típico de láser de CO2. En esta imagen, el panel de potencia, el transformador y el rectificador proporcionan corriente eléctrica como la bomba, mientras que el tanque en el centro alimenta la mezcla de gas en el láser. El sistema de bombeo de agua proporciona refrigeración a los lados del láser, de modo que los átomos de helio calientes se excitan menos cuando chocan con las paredes refrigeradas por el agua.
Crédito de la imagen: Jon’s Lasers
Aplicaciones
Los láseres de CO2 presentan muchas características que los hacen idóneos para aplicaciones industriales y de procesamiento de materiales. Algunos de estos atributos son:
- Bajo coste en relación con las capacidades de potencia (a menudo menos de 100 dólares por vatio)
- Alta eficiencia (relación entre la salida y la bomba de hasta el 20%)
- Amplia variación posible de la potencia de salida
- Larga vida útil
- Muchas formas de onda de salida posibles
- Alteraciones mínimas en la concentración de gas permiten la posibilidad de seleccionar entre cientos de longitudes de onda infrarrojas discretas
Los láseres de dióxido de carbono se utilizan con mayor frecuencia en el corte y la soldadura por láser, o, en el caso de dispositivos de menor potencia, en el grabado y marcado por láser. Además, como el agua (que constituye la mayor parte de los tejidos biológicos) absorbe bien la radiación infrarroja, los láseres de CO2 se utilizan en aplicaciones médicas como la cirugía láser, el rejuvenecimiento de la piel, la dermoabrasión y, más recientemente, para «soldar» tejidos humanos en lugar de suturas.
El siguiente vídeo muestra un láser de CO2 de 250 vatios con control numérico por ordenador (CNC) cortando chapa metálica.
Crédito del vídeo: Owen White
Especificaciones
Longitud de onda
En comparación con otros láseres, los de CO2 se limitan a un rango relativamente pequeño de longitudes de onda que se producen exclusivamente dentro del espectro infrarrojo (IR). Los láseres de dióxido de carbono casi siempre emiten luz dentro de la banda de 9,4 μm a 10,6 μm, que corresponde aproximadamente a 28,3 terahercios (THz) a 31,9 THz. Como se ha mencionado anteriormente, la capacidad de variar las concentraciones de gas dentro del medio de ganancia permite que los láseres de CO2 se fabriquen para emitir frecuencias discretas precisas dentro de su rango general.
Potencia de salida
Los láseres de CO2 suelen estar provistos de una potencia de salida por el fabricante. A menudo se clasifican como dispositivos de alta potencia, y algunos emiten haces continuos de 60 kW (6000 W). La potencia de un láser suele determinar su aplicación; por ejemplo, un láser de alta potencia es el más adecuado para el corte y la soldadura, mientras que un dispositivo de menor potencia puede utilizarse para el marcado de códigos de barras y etiquetas.
Seguridad
La seguridad de los láseres es un tema importante cuando se habla del uso de los láseres de dióxido de carbono debido a su gran potencia. Incluso una exposición directa de una fracción de segundo a un láser de 200 mW que emita a 100 metros de distancia puede causar daños oculares permanentes; teniendo en cuenta que un láser de CO2 puede emitir miles de vatios de potencia a una distancia cercana, el contacto directo puede quemar instantáneamente los ojos o la piel del operador.
Una señal de advertencia de láser, que incluye las especificaciones y la clase. Crédito de la imagen: Keller Studio
Para responder a las preocupaciones anteriores, el Centro de Dispositivos y Salud Radiológica (CDRH) -división de la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA)- ofrece un esquema de clasificación de la seguridad del láser basado en seis clases de productos. Los láseres también están especificados por diferentes clases descritas en la norma internacional IEC 60825. La siguiente tabla describe las clases nacionales e internacionales de seguridad láser; la mayoría de los láseres de CO2 se clasifican como dispositivos de clase 4.
Clases de seguridad láser. Crédito de la imagen: Erchonia