Koldioxidlaser (CO2) – information

Koldioxidlaser är gaslaser som avger infraröd strålning. De används för en mängd olika industriella tillämpningar med hög effekt. Såsom diskuteras i Lasers Selection Guide består alla lasrar av tre komponenter: en energikälla (även kallad pump), ett förstärkningsmedium (eller lasermedium) och en optisk resonator. Dessa komponenter är märkta i diagrammet nedan. Pumpen ger energi som förstärks av förstärkningsmediet. Denna energi omvandlas så småningom till ljus och reflekteras genom den optiska resonatorn som sedan sänder ut den slutliga utgångsstrålen.

Bildkredit: EnlightenYourMind

Alla gaslasrar bygger på excitering av gaser för att förstärka energin; med tanke på bilden ovan fungerar gasen som lasermedium. Koldioxidlasrar i synnerhet består av följande komponenter:

• Elektrisk ström – som fungerar som laserpump – som exciterar gasmediet.
• En blandning av gaser – som fungerar som förstärkningsmedium – bestående av koldioxid, kväve, vätgas, ochd helium. Koldioxid, kväve och helium utgör den stora majoriteten av blandningen, även om de specifika koncentrationerna varierar beroende på laserns avsedda användning. Typiska gasblandningar har ett N2:CO2:He-förhållande på 1:1:8.
• En specialiserad optisk resonator. Eftersom CO2-lasrar arbetar enbart inom det infraröda spektrumet och kan uppnå höga uteffekter är deras optiska komponenter vanligtvis tillverkade av specialiserade (och ofta dyra) material som germanium, zinkselenid, silver, guld och diamant.

När elektrisk ström förs in i förstärkningsmediet exciteras kvävemolekylerna till ett vibrationstillstånd. Eftersom dessa molekyler består enbart av kväve kommer de att behålla denna vibrationsenergi under långa perioder. Därefter exciterar de vibrerande kvävemolekylerna koldioxidmolekylerna, till den grad att förstärkningsmediet blir en effektiv förstärkare för den pumpade energin. När kvävemolekylerna kommer i kontakt med kalla heliumatomer blir de gradvis mindre exciterade och överför energi till heliumet i form av värme. De heta heliumatomerna måste sedan kylas för att bibehålla en populationsinversion (en tillräcklig skillnad mellan exciterade atomer och atomer med lägre energi för att producera optisk förstärkning) med de exciterade koldioxidatomerna. Dessa processer illustreras i diagrammet nedan.

Image credit: Kansas State University

Bilden nedan visar ett typiskt CO2-lasersystem. I den här bilden ger kraftpanelen, transformatorn och likriktaren elektrisk ström som pumpen, medan tanken i mitten matar gasblandningen till lasern. Vattenpumpssystemet ger kylning till sidorna av lasern, så att heta heliumatomer blir mindre exciterade när de kolliderar med de vattenkylda väggarna.

Bildkredit: Jon’s Lasers

Användningsområden

CO2-lasrar har många egenskaper som gör att de lämpar sig utmärkt för industriella tillämpningar och materialbehandling. Några av dessa egenskaper är följande:

• Låg kostnad i förhållande till effektkapaciteten (ofta mindre än 100 dollar per watt)
• Hög verkningsgrad (förhållande mellan utdata och pump på upp till 20 %)
• Vid möjlig variation av utdataeffekt
• Lång livslängd
• Många Mängder av möjliga utgångsvågformer
• Minuterliga förändringar av gaskoncentrationen gör det möjligt att välja mellan hundratals diskreta infraröda våglängder

Koldioxidlasrar används oftast vid laserskärning och lasersvetsning, eller – för enheter med lägre effekt – lasergravering och märkning. Eftersom vatten (som utgör majoriteten av biologiska vävnader) absorberar infraröd strålning väl, används koldioxidlaser också i medicinska tillämpningar som laserkirurgi, hudåterställning, dermabrasion och på senare tid för att ”svetsa” mänsklig vävnad i stället för suturer.

Videon nedan visar en 250-watts CO2-laser med numerisk datorstyrning (CNC) som skär plåt.

Videokredit: Owen White

Specifikationer

Våglängd

Vid jämförelse med andra lasrar är CO2-lasrar begränsade till ett relativt litet område med våglängder som uteslutande förekommer inom det infraröda (IR) spektrumet. Koldioxidlasrar avger nästan alltid ljus inom bandet 9,4 μm till 10,6 μm, vilket motsvarar ungefär 28,3 terahertz (THz) till 31,9 THz. Som nämnts ovan gör möjligheten att variera gaskoncentrationerna i förstärkningsmediet att CO2-lasrar kan tillverkas för att avge exakta diskreta frekvenser inom sitt allmänna område.

Utgångseffekt

CO2-lasrar förses vanligen av tillverkaren med en nominell utgångseffekt. De klassificeras ofta som högeffektsanordningar och vissa avger kontinuerliga strålar på 60 kW (6000 W). En lasers effekt bestämmer vanligtvis dess tillämpning; till exempel är en laser med hög effekt lämpligast för skärning och svetsning, medan en enhet med lägre effekt kan användas för märkning av streckkoder och etiketter.

Säkerhet

Lasersäkerhet är ett viktigt ämne när man diskuterar användning av koldioxidelasrar på grund av deras höga effektförmåga. Även en bråkdel av en sekunds direkt exponering för en 200 mW laser som avges på 100 meters avstånd kan orsaka permanenta ögonskador; med tanke på att en koldioxidlaser kan avge tusentals watt effekt på nära avstånd kan direktkontakt omedelbart bränna en operatörs ögon eller hud.

En laservarningsskylt, inklusive specifikationer och klass. Image credit: Keller Studio

För att lösa ovanstående problem tillhandahåller Center for Devices and Radiological Health (CDRH) – en avdelning av US Food and Drug Administration (FDA) – ett klassificeringssystem för lasersäkerhet baserat på sex produktklasser. Lasrar specificeras också av olika klasser som beskrivs i den internationella standarden IEC 60825. Tabellen nedan beskriver både amerikanska inhemska och internationella klasser för lasersäkerhet; de flesta CO2-lasrar kvalificerar sig som klass 4-enheter.

Lasersäkerhetsklasser. Bild: Erchonia