Lasery na dwutlenku węgla są laserami gazowymi, które emitują promieniowanie podczerwone. Są one używane do różnych zastosowań przemysłowych o dużej mocy. Jak omówiono w przewodniku wyboru laserów, wszystkie lasery składają się z trzech elementów: źródła energii (zwanego również pompą), ośrodka wzmocnienia (lub lasera) i rezonatora optycznego. Elementy te są oznaczone na poniższym schemacie. Pompa służy do dostarczania energii, która jest wzmacniana przez ośrodek wzmacniający. Energia ta jest ostatecznie przekształcana w światło i odbijana przez rezonator optyczny, który następnie emituje ostateczną wiązkę wyjściową.
Image credit: EnlightenYourMind
Wszystkie lasery gazowe polegają na wzbudzeniu gazów w celu wzmocnienia energii; biorąc pod uwagę powyższy obraz, gaz funkcjonuje jako medium laserowe. Lasery na dwutlenku węgla w szczególności składają się z następujących elementów:
- Prąd elektryczny – służący jako pompa laserowa – która wzbudza medium gazowe.
- Mieszanina gazów – służąca jako medium wzmacniające – składająca się z dwutlenku węgla, azotu, wodoru i
helu. Dwutlenek węgla, azot i hel stanowią zdecydowaną większość mieszaniny, chociaż konkretne stężenia różnią się w zależności od przeznaczenia lasera. Typowe mieszanki gazowe mają stosunek N2:CO2:He wynoszący 1:1:8. - Wyspecjalizowany rezonator optyczny. Ponieważ lasery CO2 działają wyłącznie w zakresie podczerwieni i mogą osiągać wysoką moc wyjściową, ich elementy optyczne są zazwyczaj wykonane ze specjalistycznych (i często drogich) materiałów, takich jak german, selenek cynku, srebro, złoto i diament.
Gdy prąd elektryczny jest wprowadzany do ośrodka wzmocnienia, cząsteczki azotu są wzbudzane do stanu wibracyjnego. Ponieważ cząsteczki te składają się wyłącznie z azotu, będą one zachować tę energię wibracyjną dla długich okresów. Następnie, wibrujące cząsteczki azotu wzbudzają cząsteczki dwutlenku węgla do tego stopnia, że ośrodek wzmacniający staje się efektywnym wzmacniaczem dla pompowanej energii. W miarę jak cząsteczki azotu stykają się z zimnymi atomami helu, stopniowo stają się mniej wzbudzone i przekazują energię helowi w postaci ciepła. Gorące atomy helu muszą być następnie schłodzone, aby utrzymać inwersję populacji (wystarczającą różnicę pomiędzy wzbudzonymi i niżej energetycznymi atomami, aby wytworzyć wzmocnienie optyczne) z wzbudzonymi atomami dwutlenku węgla. Procesy te zilustrowano na poniższym wykresie.
Kredyt obrazu: Kansas State University
Następny obraz przedstawia typowy system lasera CO2. Na tym obrazie, panel zasilania, transformator i prostownik dostarczają prąd elektryczny do pompy, podczas gdy zbiornik w centrum podaje mieszaninę gazów do lasera. System pompy wodnej zapewnia chłodzenie boków lasera, dzięki czemu gorące atomy helu są mniej wzbudzone, gdy zderzają się z chłodzonymi wodą ścianami.
Kredyt obrazu: Jon’s Lasers
Zastosowania
Lasery CO2 mają wiele cech, które sprawiają, że idealnie nadają się do zastosowań przemysłowych i obróbki materiałów. Niektóre z tych atrybutów obejmują:
- Niski koszt w stosunku do możliwości mocy (często mniej niż 100 USD za wat)
- Wysoka sprawność (stosunek mocy wyjściowej do mocy pompy do 20%)
- Duża możliwa zmienność mocy wyjściowej
- Długi okres eksploatacji
- Wiele możliwych przebiegów wyjściowych
- Minutowe zmiany stężenia gazu dają możliwość wyboru spośród setek dyskretnych długości fal podczerwonych
Lasery na dwutlenku węgla są najczęściej stosowane do cięcia i spawania laserowego, lub – w przypadku urządzeń o niższej mocy – do grawerowania i znakowania laserowego. Ponadto, ponieważ woda (która stanowi większość tkanek biologicznych) dobrze absorbuje promieniowanie podczerwone, lasery CO2 są używane w zastosowaniach medycznych, takich jak chirurgia laserowa, resurfacing skóry, dermabrazja, a ostatnio do „spawania” tkanki ludzkiej w miejsce szwów.
Niżej zamieszczony film wideo przedstawia 250-watowy laser CO2 sterowany numerycznie (CNC) tnący blachę.
Kredyt wideo: Owen White
Specyfikacje
Długość fali
W porównaniu z innymi laserami, lasery CO2 są ograniczone do stosunkowo niewielkiego zakresu długości fal występujących wyłącznie w widmie podczerwieni (IR). Lasery na dwutlenku węgla prawie zawsze emitują światło w zakresie od 9,4 μm do 10,6 μm, co odpowiada w przybliżeniu 28,3 terahercom (THz) do 31,9 THz. Jak wspomniano powyżej, możliwość zmiany stężenia gazu w ośrodku wzmacniającym umożliwia wytwarzanie laserów CO2 w celu emitowania precyzyjnych dyskretnych częstotliwości w ogólnym zakresie.
Moc wyjściowa
Lasery CO2 są zazwyczaj dostarczane z mocą wyjściową ocenianą przez producenta. Są one często klasyfikowane jako urządzenia o wysokiej mocy, niektóre emitują ciągłe wiązki o mocy 60 kW (6000 W). Moc lasera zazwyczaj określa jego zastosowanie; na przykład, laser o wysokiej mocy jest najbardziej odpowiedni do cięcia i spawania, podczas gdy urządzenie o niższej mocy może być używane do znakowania kodów kreskowych i etykiet.
Bezpieczeństwo
Bezpieczeństwo lasera jest ważnym tematem podczas omawiania użycia laserów dwutlenkowo-węglowych ze względu na ich wysoką moc. Nawet trwający ułamek sekundy bezpośredni kontakt z laserem o mocy 200 mW emitującym wiązkę z odległości 100 jardów może spowodować trwałe uszkodzenie oczu; biorąc pod uwagę, że laser CO2 może emitować tysiące watów mocy w bliskiej odległości, bezpośredni kontakt może spowodować natychmiastowe oparzenie oczu lub skóry operatora.
Znak ostrzegawczy lasera, zawierający dane techniczne i klasę. Image credit: Keller Studio
Aby rozwiać powyższe obawy, Center for Devices and Radiological Health (CDRH) – oddział amerykańskiej Agencji Żywności i Leków (FDA) – zapewnia schemat klasyfikacji bezpieczeństwa lasera w oparciu o sześć klas produktów. Lasery są również określone przez różne klasy opisane w międzynarodowej normie IEC 60825. Poniższa tabela opisuje zarówno krajowe, jak i międzynarodowe klasy bezpieczeństwa laserów w USA; większość laserów CO2 kwalifikuje się jako urządzenia klasy 4.
Klasy bezpieczeństwa laserów. Image credit: Erchonia
.