Koolstofdioxide lasers zijn gaslasers die infrarode straling uitzenden. Zij worden gebruikt voor een verscheidenheid van industriële toepassingen met hoog vermogen. Zoals besproken in de Laserselectiegids, bestaan alle lasers uit drie componenten: een energiebron (ook bekend als een pomp), een versterkingsmedium (of laser), en een optische resonator. Deze componenten zijn in het onderstaande diagram aangegeven. De pomp dient om energie te leveren die wordt versterkt door het versterkingsmedium. Deze energie wordt uiteindelijk omgezet in licht en gereflecteerd door de optische resonator, die vervolgens de uiteindelijke outputbundel uitzendt.
Image credit: EnlightenYourMind
Alle gaslasers berusten op de excitatie van gassen om energie te versterken; gezien de afbeelding hierboven fungeert het gas als het lasermedium. Kooldioxidelasers in het bijzonder bestaan uit de volgende componenten:
- Elektrische stroom – dienend als laserpomp – die het gasmedium exciteert.
- Een mengsel van gassen – dienend als het versterkingsmedium – dat bestaat uit kooldioxide, stikstof, waterstof, en helium. De kooldioxide, stikstof en helium vormen het overgrote deel van het mengsel, hoewel de specifieke concentraties variëren afhankelijk van het beoogde gebruik van de laser. Typische gasmengsels hebben een N2:CO2:He-verhouding van 1:1:8.
- Een gespecialiseerde optische resonator. Omdat CO2-lasers uitsluitend in het infraroodspectrum werken en hoge vermogens kunnen bereiken, worden hun optische componenten gewoonlijk gemaakt van gespecialiseerde (en vaak dure) materialen zoals germanium, zinkselenide, zilver, goud en diamant.
Wanneer elektrische stroom wordt toegevoerd aan het versterkingsmedium, worden de stikstofmoleculen aangeslagen tot een trillingstoestand. Omdat deze moleculen uitsluitend uit stikstof bestaan, zullen zij deze trillingsenergie gedurende lange perioden vasthouden. Vervolgens prikkelen de vibrerende stikstofmoleculen de kooldioxidemoleculen, zodanig dat het versterkermedium een effectieve versterker wordt voor de gepompte energie. Naarmate de stikstofmoleculen in contact komen met koude heliumatomen, worden zij geleidelijk minder geëxciteerd en geven zij energie af aan het helium in de vorm van warmte. De hete heliumatomen moeten vervolgens worden afgekoeld om een populatie-inversie (een voldoende verschil tussen aangeslagen en atomen met lagere energie om optische versterking te produceren) met de aangeslagen kooldioxideatomen te handhaven. Deze processen worden in onderstaande grafiek geïllustreerd.
Image credit: Kansas State University
De onderstaande afbeelding toont een typisch CO2-lasersysteem. In deze afbeelding leveren het stroompaneel, de transformator en de gelijkrichter elektrische stroom aan de pomp, terwijl de tank in het midden het gasmengsel naar de laser voert. Het waterpompsysteem zorgt voor koeling van de zijkanten van de laser, zodat hete heliumatomen minder worden opgewonden wanneer zij tegen de watergekoelde wanden botsen.
Image credit: Jon’s Lasers
Applications
CO2-lasers bezitten vele kenmerken die hen bij uitstek geschikt maken voor industriële en materiaalverwerkingstoepassingen. Enkele van de eigenschappen omvatten:
- Lage kosten in verhouding tot het vermogen (vaak minder dan $100 per watt)
- Hoog rendement (verhouding tussen output en pomp tot 20%)
- Wijd mogelijke variatie in outputvermogen
- Lange levensduur
- Veel mogelijke outputgolfvormen
- Minute veranderingen in de gasconcentratie bieden de mogelijkheid om te kiezen uit honderden discrete infrarode golflengten
Koolstofdioxidelasers worden het vaakst gebruikt bij lasersnijden en -lassen, of – voor apparaten met een lager vermogen – lasergraveren en -markeren. Omdat water (dat de meerderheid van de biologische weefsels uitmaakt) goed infrarode straling absorbeert, worden CO2-lasers ook gebruikt in medische toepassingen zoals laserchirurgie, huidverjonging, dermabrasie, en meer recent om menselijk weefsel te “lassen” in plaats van te hechten.
De onderstaande video toont een 250-watt computer numerieke controle (CNC) CO2-laser die plaatmetaal snijdt.
Video credit: Owen White
Specificaties
Golflengte
Vergeleken met andere lasers, zijn CO2-lasers beperkt tot een relatief klein bereik van golflengten die uitsluitend binnen het infrarode (IR) spectrum voorkomen. Kooldioxidelasers zenden bijna altijd licht uit binnen de band van 9,4 μm tot 10,6 μm, wat overeenkomt met ruwweg 28,3 terahertz (THz) tot 31,9 THz. Zoals hierboven vermeld, kunnen CO2-lasers dankzij de mogelijkheid om de gasconcentraties in het versterkingsmedium te variëren, worden vervaardigd om precieze discrete frequenties binnen het algemene bereik uit te zenden.
Uitgangsvermogen
CO2-lasers worden door de fabrikant gewoonlijk voorzien van een nominaal uitgangsvermogen. Zij worden vaak geclassificeerd als apparaten met een hoog vermogen, waarbij sommige continue 60 kW (6000 W) stralen uitzenden. Het vermogen van een laser bepaalt meestal de toepassing ervan; een laser met een hoog vermogen is bijvoorbeeld het meest geschikt voor snijden en lassen, terwijl een apparaat met een lager vermogen kan worden gebruikt voor het markeren van streepjescodes en etiketten.
Veiligheid
De veiligheid van een laser is een belangrijk onderwerp bij de bespreking van het gebruik van kooldioxidelasers wegens hun hoge vermogens. Zelfs een fractie van een seconde directe blootstelling aan een 200 mW-laser die op 100 meter afstand uitzendt, kan blijvend oogletsel veroorzaken; aangezien een CO2-laser op korte afstand duizenden watts aan vermogen kan uitstralen, kan direct contact de ogen of de huid van een operator onmiddellijk verbranden.
Een waarschuwingsbord voor een laser, met vermelding van specificaties en klasse. Image credit: Keller Studio
Om aan bovenstaande bezorgdheid tegemoet te komen, biedt het Center for Devices and Radiological Health (CDRH) – een divisie van de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) – een laserveiligheidsclassificatieschema op basis van zes productklassen. Lasers worden ook gespecificeerd in verschillende klassen die worden beschreven in de internationale norm IEC 60825. De onderstaande tabel beschrijft zowel de binnenlandse als de internationale klassen voor laserveiligheid in de VS; de meeste CO2-lasers komen in aanmerking als apparaten van klasse 4.
Laserveiligheidsklassen. Afbeelding: Erchonia