Lasers de dióxido de carbono são lasers de gás que emitem radiação infravermelha. São usados para uma variedade de aplicações industriais de alta potência. Como discutido no Guia de Seleção de Lasers, todos os lasers consistem em três componentes: uma fonte de energia (também conhecida como bomba), um meio de ganho (ou laser) e um ressonador óptico. Estes componentes estão etiquetados no diagrama abaixo. A bomba serve para fornecer energia que é amplificada pelo meio de ganho. Esta energia é eventualmente convertida em luz e é refletida através do ressonador óptico que então emite o feixe de saída final.
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Crédito de imagem: EnlightenYourMind
Todos os lasers a gás dependem da excitação dos gases para amplificar a energia; considerando a imagem acima, o gás funciona como o meio laser. Os lasers de dióxido de carbono em particular são compostos pelos seguintes componentes:
- Corrente elétrica – servindo como bomba laser – que excita o meio gasoso.
- Uma mistura de gases – servindo como meio de ganho – composta de dióxido de carbono, nitrogênio, hidrogênio, um
d hélio. O dióxido de carbono, nitrogênio e hélio compõem a grande maioria da mistura, embora as concentrações específicas variem de acordo com o uso pretendido do laser. As misturas gasosas típicas têm uma relação N2:CO2:He de 1:1:8. - Um ressonador óptico especializado. Como os lasers de CO2 operam somente dentro do espectro infravermelho e podem atingir altas potências, seus componentes ópticos são tipicamente feitos de materiais especializados (e frequentemente caros) como germânio, selenieto de zinco, prata, ouro e diamante.
Quando a corrente elétrica é introduzida no meio de ganho, as moléculas de nitrogênio são excitadas a um estado vibracional. Como estas moléculas são compostas unicamente de nitrogênio, elas reterão esta energia vibracional por longos períodos. A seguir, as moléculas de nitrogênio vibratórias excitam as moléculas de dióxido de carbono, a ponto de o meio de ganho se tornar um amplificador efetivo para a energia bombeada. À medida que as moléculas de nitrogênio entram em contato com átomos de hélio frio, elas gradualmente se tornam menos excitadas e transferem energia para o hélio sob a forma de calor. Os átomos de hélio quentes devem então ser arrefecidos para manter uma inversão populacional (uma diferença suficiente entre átomos excitados e átomos de menor energia para produzir ganho óptico) com os átomos de dióxido de carbono excitados. Estes processos estão ilustrados no gráfico abaixo.
Crédito de imagem: Kansas State University
A imagem abaixo mostra um sistema laser típico de CO2. Nesta imagem, o painel de energia, transformador e retificador fornecem corrente elétrica como a bomba, enquanto o tanque no centro alimenta a mistura de gás no laser. O sistema de bomba de água fornece refrigeração para os lados do laser, de modo que os átomos de hélio quente ficam menos excitados quando colidem com as paredes resfriadas a água.
Crédito de imagem: Lasers de Jon
Aplicações
Lasers de CO2 apresentam muitas características que os tornam ideais para aplicações industriais e de processamento de materiais. Alguns dos atributos incluem:
- Baixo custo em relação às capacidades de potência (geralmente menos de $100 por watt)
- Alta eficiência (relação de saída para bomba de até 20%)
- Variação generalizada possível na potência de saída
- Perenidade longa
- Muitos possíveis formas de onda de saída
- Alterações infinitas na concentração de gás permite a possibilidade de seleccionar entre centenas de comprimentos de onda discretos de infravermelhos
Os lasers de dióxido de carbono são mais frequentemente utilizados no corte e soldadura a laser, ou – para dispositivos de menor potência – gravação e marcação a laser. Além disso, como a água (que constitui a maioria dos tecidos biológicos) absorve bem a radiação infravermelha, os lasers de CO2 são utilizados em aplicações médicas, como cirurgia a laser, resurfacing da pele, dermoabrasão e, mais recentemente, para “soldar” tecido humano no lugar de suturas.
O vídeo abaixo mostra um controle numérico computadorizado (CNC) de 250 watts de chapa de corte a laser CO2.
Crédito vídeo: Owen White
Especificações
Comprimento de onda
Comparado a outros lasers, os lasers CO2 estão confinados a uma gama relativamente pequena de comprimentos de onda ocorrendo exclusivamente dentro do espectro infravermelho (IR). Os lasers de dióxido de carbono quase sempre emitem luz dentro da banda 9,4 μm a 10,6 μm, o que corresponde aproximadamente a 28,3 terahertz (THz) a 31,9 THz. Como mencionado acima, a capacidade de variar as concentrações de gás dentro do meio de ganho permite que os lasers de CO2 sejam fabricados para emitir frequências discretas precisas dentro de sua faixa geral.
Potência de Saída
Lasers de CO2 são normalmente fornecidos com uma potência de saída nominal pelo fabricante. Eles são frequentemente classificados como dispositivos de alta potência, com alguns emitindo feixes contínuos de 60 kW (6000 W). A potência de um laser normalmente determina a sua aplicação; por exemplo, um laser de alta potência é mais adequado para corte e soldagem, enquanto um dispositivo de menor potência pode ser usado para marcação de códigos de barras e etiquetas.
Segurança
A segurança do laser é um tópico importante quando se discute o uso de lasers de dióxido de carbono devido à sua alta potência. Mesmo uma exposição direta de segundos a um laser de 200 mW emitindo a 100 metros de distância pode causar danos permanentes aos olhos; considerando que um laser de CO2 pode emitir milhares de watts de energia a uma distância próxima, o contato direto pode queimar instantaneamente os olhos ou a pele de um operador.
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Um sinal de alerta do laser, incluindo especificações e classe. Crédito da imagem: Keller Studio
Para atender as preocupações acima, o Center for Devices and Radiological Health (CDRH) – uma divisão da US Food and Drug Administration (FDA) – fornece um esquema de classificação da segurança do laser baseado em seis classes de produtos. Os lasers também são especificados por diferentes classes descritas na norma internacional IEC 60825. A tabela abaixo descreve tanto as classes nacionais como internacionais dos EUA para a segurança do laser; a maioria dos lasers de CO2 qualificam como dispositivos da Classe 4.
Classes de segurança de lasers. Crédito da imagem: Erchonia