Laserele cu dioxid de carbon sunt lasere cu gaz care emit radiații infraroșii. Acestea sunt utilizate pentru o varietate de aplicații industriale de mare putere. După cum s-a discutat în Ghidul de selecție a laserelor, toate laserele sunt formate din trei componente: o sursă de energie (cunoscută și sub numele de pompă), un mediu de câștig (sau laser) și un rezonator optic. Aceste componente sunt etichetate în diagrama de mai jos. Pompa are rolul de a furniza energie care este amplificată de mediul de câștig. Această energie este în cele din urmă transformată în lumină și este reflectată prin rezonatorul optic care apoi emite fasciculul final de ieșire.
Creditul imaginii: EnlightenYourMind
Toate laserele cu gaz se bazează pe excitarea gazelor pentru a amplifica energia; având în vedere imaginea de mai sus, gazul funcționează ca mediu laser. Laserele cu dioxid de carbon, în special, sunt alcătuite din următoarele componente:
- Curent electric – care servește ca pompă laser – care excită mediul gazos.
- Un amestec de gaze – care servește ca mediu de câștig – alcătuit din dioxid de carbon, azot, hidrogen și
d heliu. Dioxidul de carbon, azotul și heliul alcătuiesc marea majoritate a amestecului, deși concentrațiile specifice variază în funcție de utilizarea preconizată a laserului. Amestecurile tipice de gaze au un raport N2:CO2:He de 1:1:8. - Un rezonator optic specializat. Deoarece laserele cu CO2 funcționează numai în spectrul infraroșu și pot atinge puteri mari, componentele lor optice sunt realizate de obicei din materiale specializate (și adesea costisitoare), cum ar fi germaniul, seleniura de zinc, argintul, aurul și diamantul.
Când curentul electric este introdus în mediul de câștig, moleculele de azot sunt excitate la o stare vibrațională. Deoarece aceste molecule sunt alcătuite numai din azot, ele vor păstra această energie vibrațională pentru perioade lungi de timp. Apoi, moleculele de azot care vibrează excită moleculele de dioxid de carbon, până la punctul în care mediul de câștig devine un amplificator eficient pentru energia pompată. Pe măsură ce moleculele de azot intră în contact cu atomii reci de heliu, acestea devin treptat mai puțin excitate și transferă energia către heliu sub formă de căldură. Atomii fierbinți de heliu trebuie apoi răciți pentru a menține o inversiune de populație (o diferență suficientă între atomii excitați și cei cu energie mai mică pentru a produce un câștig optic) cu atomii excitați de dioxid de carbon. Aceste procese sunt ilustrate în graficul de mai jos.
Creditul imaginii: Kansas State University
Imaginea de mai jos prezintă un sistem laser cu CO2 tipic. În această imagine, panoul de alimentare, transformatorul și redresorul furnizează curent electric ca pompă, în timp ce rezervorul din centru alimentează amestecul de gaze în laser. Sistemul de pompare a apei asigură răcirea părților laterale ale laserului, astfel încât atomii fierbinți de heliu devin mai puțin excitați atunci când se ciocnesc cu pereții răciți cu apă.
Creditul imaginii: Jon’s Lasers
Aplicații
Laserii CO2 au multe caracteristici care îi fac să fie ideali pentru aplicațiile industriale și de prelucrare a materialelor. Unele dintre aceste atribute includ:
- Cost redus în raport cu capacitățile de putere (adesea mai puțin de 100 de dolari pe watt)
- Eficiență ridicată (raportul putere de ieșire/pompă de până la 20%)
- Variație largă posibilă a puterii de ieșire
- Viață lungă de viață
- Mulți forme de undă de ieșire posibile
Modificări minuțioase ale concentrației de gaz permit posibilitatea de a selecta din sute de lungimi de undă discrete în infraroșu
Laserii cu dioxid de carbon sunt cel mai frecvent utilizați în tăierea și sudarea cu laser, sau – pentru dispozitivele de putere mai mică – gravura și marcarea cu laser. De asemenea, deoarece apa (care constituie majoritatea țesuturilor biologice) absoarbe bine radiațiile infraroșii, laserele cu CO2 sunt utilizate în aplicații medicale, cum ar fi chirurgia cu laser, refacerea suprafeței pielii, dermabraziunea și, mai recent, pentru a „suda” țesutul uman în locul suturilor.
Video de mai jos arată un laser CO2 cu control numeric computerizat (CNC) de 250 de wați care taie tablă.
Creditul video: Owen White
Specificații
Lungime de undă
În comparație cu alte lasere, laserele CO2 sunt limitate la o gamă relativ mică de lungimi de undă care apar exclusiv în spectrul infraroșu (IR). Laserele cu dioxid de carbon emit aproape întotdeauna lumină în banda de la 9,4 μm la 10,6 μm, ceea ce corespunde aproximativ între 28,3 terahertzi (THz) și 31,9 THz. După cum s-a menționat mai sus, capacitatea de a varia concentrațiile de gaz în mediul de câștig permite ca laserele cu CO2 să fie fabricate pentru a emite frecvențe discrete precise în cadrul gamei sale generale.
Putere de ieșire
Laserele cu CO2 sunt furnizate de obicei cu o putere de ieșire nominală de către producător. Ele sunt adesea clasificate ca dispozitive de mare putere, unele dintre ele emițând fascicule continue de 60 kW (6000 W). Puterea unui laser determină de obicei aplicația sa; de exemplu, un laser de mare putere este cel mai potrivit pentru tăiere și sudare, în timp ce un dispozitiv de putere mai mică poate fi utilizat pentru marcarea codurilor de bare și a etichetelor.
Siguranță
Siguranța laserului este un subiect important atunci când se discută despre utilizarea laserelor cu dioxid de carbon, datorită capacităților lor de mare putere. Chiar și o fracțiune de secundă de expunere directă la un laser de 200 mW care emite la o distanță de 100 de metri poate provoca leziuni oculare permanente; având în vedere că un laser cu CO2 poate emite mii de wați de putere la o distanță apropiată, contactul direct poate arde instantaneu ochii sau pielea unui operator.
Un semn de avertizare cu laser, inclusiv specificațiile și clasa. Credit imagine: Keller Studio
Pentru a răspunde preocupărilor de mai sus, Centrul pentru Dispozitive și Sănătate Radiologică (CDRH) – o divizie a Administrației pentru Alimente și Medicamente din SUA (FDA) – oferă o schemă de clasificare a siguranței laserului bazată pe șase clase de produse. De asemenea, laserele sunt specificate prin diferite clase descrise în standardul internațional IEC 60825. Tabelul de mai jos descrie atât clasele interne din SUA, cât și cele internaționale pentru siguranța laserului; majoritatea laserelor CO2 se califică drept dispozitive din clasa 4.
Clasi de siguranță a laserului. Credit de imagine: Erchonia
.