I laser ad anidride carbonica sono laser a gas che emettono radiazione infrarossa. Sono usati per una varietà di applicazioni industriali ad alta potenza. Come discusso nella Guida alla selezione dei laser, tutti i laser sono costituiti da tre componenti: una fonte di energia (nota anche come pompa), un mezzo di guadagno (o laser) e un risonatore ottico. Questi componenti sono etichettati nel diagramma qui sotto. La pompa serve a fornire energia che viene amplificata dal mezzo di guadagno. Questa energia è infine convertita in luce e viene riflessa attraverso il risonatore ottico che poi emette il raggio di uscita finale.
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Tutti i laser a gas si basano sull’eccitazione dei gas per amplificare l’energia; considerando l’immagine sopra, il gas funziona come mezzo laser. I laser ad anidride carbonica, in particolare, sono costituiti dai seguenti componenti:
- Corrente elettrica – che serve come pompa laser – che eccita il mezzo gassoso.
- Una miscela di gas – che serve come mezzo di guadagno – composta da anidride carbonica, azoto, idrogeno ed elio. L’anidride carbonica, l’azoto e l’elio costituiscono la maggior parte della miscela, anche se le concentrazioni specifiche variano a seconda dell’uso previsto del laser. Le miscele di gas tipiche hanno un rapporto N2:CO2:He di 1:1:8.
- Un risonatore ottico specializzato. Poiché i laser a CO2 operano esclusivamente nello spettro infrarosso e possono raggiungere potenze elevate, i loro componenti ottici sono tipicamente fatti di materiali specializzati (e spesso costosi) come germanio, seleniuro di zinco, argento, oro e diamante.
Quando la corrente elettrica viene introdotta nel mezzo di guadagno, le molecole di azoto vengono eccitate ad uno stato vibrazionale. Poiché queste molecole sono composte esclusivamente da azoto, manterranno questa energia vibrazionale per lunghi periodi. Successivamente, le molecole di azoto vibranti eccitano le molecole di anidride carbonica, al punto che il mezzo di guadagno diventa un amplificatore efficace per l’energia pompata. Quando le molecole di azoto entrano in contatto con gli atomi di elio freddi, diventano gradualmente meno eccitate e trasferiscono energia all’elio sotto forma di calore. Gli atomi di elio caldi devono poi essere raffreddati per mantenere un’inversione di popolazione (una differenza sufficiente tra atomi eccitati e atomi di energia inferiore per produrre guadagno ottico) con gli atomi di anidride carbonica eccitati. Questi processi sono illustrati nel grafico qui sotto.
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L’immagine qui sotto mostra un tipico sistema laser CO2. In questa immagine, il pannello di alimentazione, il trasformatore e il raddrizzatore forniscono la corrente elettrica come la pompa, mentre il serbatoio al centro alimenta la miscela di gas nel laser. Il sistema di pompe ad acqua fornisce il raffreddamento dei lati del laser, in modo che gli atomi di elio caldi si eccitano meno quando si scontrano con le pareti raffreddate ad acqua.
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Applications
I laser CO2 hanno molte caratteristiche che li rendono ideali per applicazioni industriali e di lavorazione dei materiali. Alcuni degli attributi includono:
- Basso costo in relazione alle capacità di potenza (spesso meno di 100 dollari per watt)
- Alta efficienza (rapporto tra uscita e pompa fino al 20%)
- Ampia variazione possibile della potenza di uscita
- Lunga durata
- Molte possibili forme d’onda in uscita
- Minute alterazioni della concentrazione di gas permettono la possibilità di selezionare tra centinaia di discrete lunghezze d’onda infrarosse
I laser al biossido di carbonio sono più frequentemente utilizzati nel taglio e nella saldatura laser, o – per dispositivi di potenza inferiore – incisione e marcatura laser. Inoltre, poiché l’acqua (che costituisce la maggior parte dei tessuti biologici) assorbe bene la radiazione infrarossa, i laser CO2 sono utilizzati in applicazioni mediche come la chirurgia laser, il resurfacing della pelle, la dermoabrasione, e più recentemente per “saldare” i tessuti umani al posto delle suture.
Il video qui sotto mostra un laser CO2 a controllo numerico computerizzato (CNC) da 250 watt che taglia le lamiere.
Video credit: Owen White
Specifiche
Lunghezza d’onda
Rispetto ad altri laser, i laser CO2 sono limitati ad una gamma relativamente piccola di lunghezze d’onda che si trovano esclusivamente nello spettro infrarosso (IR). I laser ad anidride carbonica emettono quasi sempre luce all’interno della banda da 9,4 μm a 10,6 μm, che corrisponde a circa 28,3 terahertz (THz) a 31,9 THz. Come accennato in precedenza, la capacità di variare le concentrazioni di gas all’interno del mezzo di guadagno permette ai laser a CO2 di essere fabbricati per emettere precise frequenze discrete all’interno della sua gamma generale.
Potenza di uscita
I laser a CO2 sono in genere forniti con una potenza di uscita dal produttore. Sono spesso classificati come dispositivi ad alta potenza, con alcuni che emettono fasci continui da 60 kW (6000 W). La potenza di un laser determina tipicamente la sua applicazione; per esempio, un laser ad alta potenza è più adatto per il taglio e la saldatura, mentre un dispositivo di potenza inferiore può essere utilizzato per la marcatura di codici a barre ed etichette.
Sicurezza
La sicurezza del laser è un argomento importante quando si discute l’uso di laser ad anidride carbonica a causa delle loro capacità di alta potenza. Anche una frazione di secondo di esposizione diretta a un laser da 200 mW che emette a 100 metri di distanza può causare danni permanenti agli occhi; considerando che un laser CO2 può emettere migliaia di watt di potenza a distanza ravvicinata, il contatto diretto può bruciare istantaneamente gli occhi o la pelle di un operatore.
Un segnale di avvertimento laser, comprese le specifiche e la classe. Image credit: Keller Studio
Per affrontare le preoccupazioni di cui sopra, il Center for Devices and Radiological Health (CDRH) – una divisione della US Food and Drug Administration (FDA) – fornisce uno schema di classificazione della sicurezza dei laser basato su sei classi di prodotti. I laser sono anche specificati da diverse classi descritte nello standard internazionale IEC 60825. La tabella qui sotto descrive le classi nazionali e internazionali per la sicurezza dei laser; la maggior parte dei laser CO2 si qualificano come dispositivi di classe 4.
Classi di sicurezza dei laser. Credito immagine: Erchonia