炭酸ガスレーザーは、赤外線を放射するガスレーザーです。 高出力の産業用アプリケーションに使用されています。 レーザー選択ガイドで説明したように、すべてのレーザーは、エネルギー源（ポンプとしても知られる）、利得（またはレーザー）媒体、および光共振器の3つのコンポーネントで構成されています。 これらのコンポーネントは、下図に示すようにラベル付けされています。 ポンプはエネルギーを供給し、利得媒質で増幅されます。 このエネルギーは最終的に光に変換され、光共振器を通して反射され、最終出力ビームを放出します。
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すべてのガスレーザーはエネルギーを増幅するためにガスの励起に依存しており、上の画像を考えると、ガスはレーザー媒体として機能していることがわかります。
- 気体媒質を励起するレーザー・ポンプとしての電流
- 利得媒質としての二酸化炭素、窒素、水素、
、ヘリウムからなる混合気体。 このため、レーザーの使用目的によって濃度は異なりますが、二酸化炭素、窒素、ヘリウムが混合気体の大部分を占めます。 - 特殊な光共振器。
電流が利得媒体に導入されると、窒素分子が振動状態に励起されます。 この分子は窒素だけで構成されているため、この振動エネルギーを長時間保持することができる。 次に、振動する窒素分子が二酸化炭素分子を励起し、利得媒質が励起されたエネルギーの有効な増幅器になる。 窒素分子は、冷たいヘリウム原子に触れると、次第に励起が弱まり、熱としてヘリウムにエネルギーを伝える。 その後、高温のヘリウム原子を冷却して、励起された二酸化炭素原子との人口逆転（励起原子と低エネルギー原子との間に光利得を生み出すのに十分な差があること）を維持する必要があります。 これらのプロセスは、下のグラフに示されています。
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下の画像は、典型的なCO2レーザー・システムを示しています。 この画像では、電源パネル、トランス、整流器がポンプとして電流を供給し、中央のタンクは混合ガスをレーザに供給します。
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Applications
CO2レーザは、工業や材料加工アプリケーションに理想的な多くの特性を備えています。 その一部を紹介します。
- 出力能力に対して低コスト（しばしば1ワットあたり100ドル未満）
- 高効率（最大20%のポンプ出力比）
- 出力パワーの幅広いバリエーション
- 長寿命
- 多くの 3460>
- ガス濃度を微小変化させることにより、数百種類の赤外線波長から選択可能
二酸化炭素レーザは、レーザ切断や溶接に最もよく使用されています。 また、低出力の装置では、レーザー彫刻やマーキングも可能です。 また、生体組織の大部分を占める水は赤外線をよく吸収するため、CO2レーザはレーザ手術、スキンリサーフェシング、皮膚剥離などの医療用途に使用され、最近では縫合糸の代わりに人体組織を「溶接」するのにも使用されています。
下のビデオでは、250ワットのコンピュータ数値制御（CNC）CO2レーザーがシートメタルを切断しています。
Video credit: Owen White
仕様
波長
他のレーザーと比べて、CO2レーザーは赤外線（IR）スペクトル内にのみ存在する比較的小さな波長範囲に限定されています。 炭酸ガスレーザーは、9.4μm～10.6μmの帯域の光を発します。 また、CO2レーザは、利得媒体内のガス濃度を変化させることができるため、一般的な範囲内で正確な周波数を放射するように製造することが可能です。 このような場合、レーザーは高出力デバイスとして分類され、中には60kW（6000W）のビームを連続的に放射するものもあります。 例えば、高出力レーザは切断や溶接に最も適しており、低出力デバイスはバーコードやラベルのマーキングに使用できます。
安全性
高出力能力による炭酸ガスレーザの使用を議論する場合、レーザの安全性は重要なテーマです。 また、炭酸ガスレーザーは近距離で数千ワットのパワーを発することもあり、直接接触すると、瞬時にオペレーターの目や皮膚を火傷させる可能性があります。 Image credit: Keller Studio
上記の懸念に対処するため、米国食品医薬品局 (FDA) の一部門である機器・放射線衛生センター (CDRH) は、6 つの製品クラスに基づくレーザー安全分類スキームを提供しています。 また、国際規格であるIEC 60825でも、レーザーは異なるクラスで規定されています。 下記の表は、米国国内と国際的なレーザの安全クラスについて説明したものです。 画像出典：Erchonia
（エルコニア