Углекислый лазер

Диоксид углерода лазер , СО 2 лазер или, в просторечии, двуокись углерода лазер обозначает лазерный класс различных конструкций из группы газов , молекулярных и инфракрасных лазеров в середине инфракрасного . Его лазерная среда - углекислый газ с 4-х уровневой системой. Наряду с твердотельными лазерами, это один из самых мощных и наиболее часто используемых лазеров в промышленности. Может быть достигнута выходная мощность до 80 кВт и энергия в импульсе до 100 кДж. CO 2 -лазер излучает луч инфракрасного света с длиной волны в диапазонах 9,4 и 10,6 мкм. CO 2 -лазеры относительно эффективны и недороги, поэтому они особенно используются в промышленной обработке материалов. Эффективность составляет около 15 до 20%. Он был разработан в 1964 году К. Кумаром Н. Пателем в Bell Laboratories .

функция

Диаграмма уровней энергии CO 2 -лазера с соответствующими степенями свободы молекул

Среда лазера обычно состоит из газовой смеси CO 2 -N 2 -He. Что N 2 молекулы в резонаторе с помощью постоянного тока или HF - тлеющего разряда , возбуждаемого. Молекулы N 2 особенно легко возбуждаются до вибрации. Это настоящая кинетическая молекулярная осцилляция (в данном случае валентная осцилляция ), а не возбуждение электронов атомов, как в случае с твердотельными лазерами . Электронное возбуждение и ионизация также имеют место, но не имеют отношения к процессу возбуждения молекул CO 2 .

Если молекулы N 2 возбуждены, они могут колебаться только с двумя дискретными амплитудами (ν и 2 ν). Поскольку молекула N 2 не имеет постоянного дипольного момента, переходы между колебательными уровнями с испусканием фотонов (оптические переходы) запрещены, и молекулы N 2 могут оставаться в этом возбужденном состоянии в течение очень долгого времени (порядок величины: 1 РС). Из-за длительного пребывания в возбужденном состоянии существует высокая вероятность того, что они будут стимулировать молекулы CO 2 посредством столкновений второго типа, чтобы они колебались в одном из своих четырех нормальных колебаний (см. Молекулярные колебания ) - это заставляет молекулы N 2 своего рода накопитель энергии. Молекулы CO 2 , которые были возбуждены до уровня 2ν 3, должны сначала упасть на один энергетический уровень из-за спонтанной потери энергии, прежде чем они смогут испустить фотон.

Если молекулы CO 2 потеряли свою кинетическую энергию до ν 3, они могут перейти из этого метастабильного состояния в состояния 2 ν 2 и ν 1 и, таким образом, испускать фотоны с указанными длинами волн. Более вероятно, что молекулы выберут переход ν 3  → ν 1 . Следовательно, излучается только длина волны около 10,6 мкм, хотя ширина полосы усиления больше. После этого процесса молекулы CO 2 возвращаются в метастабильное состояние. Когда они сталкиваются с атомами гелия, они передают им свою кинетическую энергию и возвращаются в свое основное состояние. Это большое преимущество CO 2 -лазера по сравнению с гелий-неоновым лазером , в котором возбужденные атомы должны сталкиваться со стенкой, чтобы достичь основного состояния. В данном случае это не так, поэтому можно добиться большего диаметра резонатора и, таким образом, значительно повысить эффективность.

Дизайн

Есть несколько возможных конструкций лазеров на диоксиде углерода, которые не только перекрываются по своей структуре:

  • продольные и поперечные лазеры
    • Лазер с медленным током
    • Лазеры с быстрым потоком
  • заблокированный лазер
  • Волноводный лазер (пластинчатый лазер)
  • Лазер атмосферного давления с поперечным возбуждением (ТЕА-лазер)
  • ВЧ лазеры с возбуждением
  • газодинамические лазеры
  • перестраиваемый лазер высокого давления

Продольные и поперечные лазеры

Принцип работы углекислотного лазера с продольным потоком

Базовая конструкция лазера с медленным потоком сравнительно проста. Лазерный газ, смесь трех газов: азота , двуокиси углерода и гелия , непрерывно всасывается через газоразрядную трубку с помощью вакуумного насоса . В этой конструкции оптическая накачка осуществляется посредством разряда постоянного тока в осевом направлении, что обеспечивает диссоциацию части диоксида углерода на оксид углерода и кислород во время разряда . По этой причине необходима вышеупомянутая непрерывная подача газовой смеси, поскольку в противном случае через некоторое время углекислый газ больше не будет присутствовать. Охлаждение происходит за счет передачи тепла по трубам, охлаждаемым водой.

Газовая смесь, которая заполняется в систему трубопроводов с помощью быстродействующего лазера, циркулирует с помощью другого насоса ( роторно-лопастного насоса или турбокомпрессора ) с целью газообмена и охлаждения . Это дает возбужденным молекулам углекислого газа больше времени, чтобы вернуться в свое основное состояние . В быстропротекающих лазерах имеется отдельный охладитель ( теплообменник ) в потоке газа, разрядные трубки не охлаждаются.

В случае очень больших мощностей разряды и поток газа располагаются поперек направления луча, так что возможен особенно быстрый газообмен. Однако это снижает эффективность и качество луча .

Завершенный лазер

В герметичном CO 2 лазере (англ. Sealed-off laser ) не производится обмен газовой смеси с помощью механической накачки. Вместо этого к газовой смеси добавляются водород , водяной пар и кислород . Примеси гарантируют, что монооксид углерода, образующийся во время оптической накачки, снова вступит в реакцию с образованием диоксида углерода на платиновом электроде, и, таким образом, содержание диоксида углерода в газовом пространстве будет восстановлено.

Вместо системы труб здесь также используются волноводы .

Волноводный лазер (пластинчатый лазер)

В этом типе лазера, известном как пластинчатый лазер , в качестве волноводов используются два электрода. Газовая смесь перекачивается с использованием высокой частоты . Эти лазеры имеют неустойчивый резонатор и высокое качество луча будет генерироваться путем формирования луча . Слябовые лазеры обычно закрытые, но есть и варианты, в которых требуется замена газовой смеси.

Лазер атмосферного давления с поперечным возбуждением (ТЕА-лазер)

Лазеры с продольным потоком не могут работать при давлении газа выше нескольких 10 мбар, поскольку в противном случае могут образоваться дуги . Чтобы обойти эту проблему, можно прикладывать разрядное напряжение импульсами короче микросекунды поперек газового потока. Соответствующий лазер двуокиси углерода поэтому называется поперечным возбужден лазером атмосферного давления, коротким ТЭ лазером (ТЭО обозначает английское в поперечном направлении при возбуждении атмосферного давления , дт. Поперечно возбуждаемым атмосферное давление ). Это позволяет создавать давление газа до одного бара. Достигаются длительности импульсов порядка 100 нс.

Области использования

В диапазоне от 10 до 200 Вт они в основном используются для резки , гравировки и перфорации тонких органических материалов ( пластмасс , текстиля , дерева и т. Д.). Импульсные CO 2 -лазеры используются для царапания и разделения неорганических материалов ( например, керамических подложек для гибридных схем). При обработке листового металла (лазерной резке) обычно используется мощность луча от 1 до 6 киловатт. Это означает, что можно резать нелегированные стали толщиной примерно до 35 миллиметров и высоколегированные стали толщиной примерно до 25 миллиметров. CO 2 -лазеры мощностью более 6 киловатт в основном используются для сварки , закалки и переплавки, а также могут все чаще использоваться для безоксидной лазерной резки до 40 миллиметров. CO 2 -лазеры являются стандартным инструментом, когда листовой металл разрезается небольшими партиями по отдельности ; для больших партий штамповка дешевле.

Длина волны CO 2 -лазера составляет 10,6 мкм, что выходит далеко за пределы окна пропускания высокоэффективных оконных материалов, таких как оконные материалы. Б. Кварцевое стекло . Вот почему - в отличие от лазеров для видимого или ближнего инфракрасного диапазона - излучение CO 2 -лазера невозможно направить в обычных стеклянных оптических волноводах . По этой причине свет традиционно направлялся на заготовку с помощью металлических зеркал. В качестве альтернативы все более популярными становятся специальные оптические волокна на основе галогенида серебра ( PIR-волокна ). Для фокусировки используются параболические зеркала из металла или линзы из монокристаллического селенида цинка . Длина волны CO 2 -лазера сильно отражается от большинства металлов, поэтому на первый взгляд он не подходит для их обработки. Однако как только на поверхности металлической заготовки создается углубление в виде капилляра из-за частичного поглощения лазера и последующего удаления материала (например, путем испарения) , лазерный луч полностью поглощается множеством отражения на стенках капилляров. Кроме того, существует взаимодействие между лазерным лучом и парами металла в капилляре из-за эффекта плазменного резонанса . Этот процесс прошивки, который требуется изначально, является технологически критичным из-за высокого уровня обратного отражения и брызг металла, которые могут достигать фокусирующей оптики. Обработка меди , золота и других цветных металлов с помощью CO 2 -лазера затруднена.

Длина волны CO 2 -лазера отлично поглощается стеклом, поэтому CO 2 -лазеры также используются при обработке стекла, например, для сварки галогенных ламп, для гравировки стаканов или для царапания ампул в фармацевтической промышленности.

Также известен процесс разделения хрупких материалов (стекло, керамика), основанный на тепловых напряжениях, индуцированных лазером. Материал локально нагревается CO 2 -лазерами, но не плавится.

Есть попытки использовать CO 2 -лазеры для обогащения урана. Урансодержащий газ бомбардируется лазером и по-разному реагирует на определенные частоты лазера. Так можно разделить уран-235 и уран-238. Такая технология уже разработана и называется SILEX-процессом . Преимущества этой технологии перед другими процессами обогащения заключаются в том, что она значительно более энергоэффективна и может быть построена более компактно.

Лазер CO 2 также необходим для медицинских применений , например, для фракционной обработки кожи лазером CO 2 .

Дальнейшая информация

  • Ф. Кнойбюль, М. Сигрист: Laser . 7-е издание. Vieweg + Teubner, Висбаден, 2008 г., ISBN 978-3-8351-0145-6 .
  • Юрген Эйхлер, Ханс-Йоахим Эйхлер: Лазеры: конструкции, наведение луча, применения . 6-е издание. Springer, 2010, ISBN 978-3-642-10461-9 , стр. 96–110 (Глава 6.2 СО 2 -лазер ).
  • CO 2 лазер , Великобритания, Ахен, RWTH, Ахен
  • Запись по углекислотному лазеру в Flexikon , Wiki компании DocCheck

Индивидуальные доказательства

  1. ^ Б Ф. Kneubühl, М. Sigrist: Laser . 7-е издание. Vieweg + Teubner, Висбаден, 2008 г., ISBN 978-3-8351-0145-6 , стр. 229 ff .
  2. ↑ Юрген Эйхлер, Юрген Эйхлер, Ханс-Иоахим Эйхлер: Лазеры: конструкции, наведение луча, применения . 6-е издание. Springer, 2010, ISBN 978-3-642-10461-9 , стр. 96–110 (Глава 6.2 СО 2 -лазер ).
  3. ↑ В. Н. Анисимов, А. П. Козолупенко, А. Ю. Себрант: Прозрачность плазмы в волнах лазерного поглощения в металлических капиллярах . В кн . : Советский журнал квантовой электроники . Лента 18 , нет. 12 ноября 1988 г., стр. 1623-1624 , DOI : 10,1070 / QE1988v018n12ABEH012779 .