CO2 Laser

|K WONG

Ein Kohlendioxidlaser (CO2) ist ein hocheffizienter Gaslaser, der einen kontinuierlichen oder gepulsten Infrarotstrahl emittiert. Seit seiner Erfindung im Jahr 1964 zählt er weiterhin zu den nützlichsten und leistungsstärksten verfügbaren Lasern. Da er hauptsächlich im mittleren Infrarot arbeitet, meist bei 10.6 µm (10600 nm) und gelegentlich bei 9.6 µm, ist sein Strahl für das menschliche Auge unsichtbar, kann jedoch intensive Wärmeenergie sehr wirksam übertragen.

Funktionsprinzipien

Das aktive Lasermedium ist ein Gasgemisch, das hauptsächlich aus Kohlendioxid (CO2), Stickstoff (N2) und Helium (He) besteht. Der Laserprozess beruht auf molekularer Energieübertragung und nicht auf elektronischen Übergängen:
  1. Anregung: An das Gasgemisch wird eine elektrische Entladung angelegt, die die Stickstoffmoleküle in einen höheren Schwingungsenergiezustand anregt.
  2. Energieübertragung: Da Stickstoff ein homonukleares Molekül ist, speichert er diese Energie über einen langen Zeitraum. Er kollidiert mit den CO2-Molekülen, überträgt seine Schwingungsenergie auf sie und erzeugt eine „Besetzungsinversion“, bei der sich mehr CO2-Moleküle in einem angeregten Zustand als in einem niedrigeren Energiezustand befinden.
  3. Emission: Wenn die CO2 -Moleküle vom angeregten Zustand in einen niedrigeren Schwingungszustand übergehen, emittieren sie Infrarotphotonen (typischerweise bei 10600 nm).
  4. Kühlung: Helium erfüllt eine Doppelfunktion: Es unterstützt die CO2-Moleküle dabei, nach der Emission eines Photons in den Grundzustand zurückzukehren, und führt Wärme effizient vom Gasgemisch zu den Wänden der Röhre ab.

Physischer Aufbau

Der physikalische Aufbau eines CO2-Lasers erfordert spezielle optische Komponenten, da herkömmliches Silikatglas Licht bei 10.6 µm stark absorbiert.

  • Entladungsrohr: Die zentrale Kammer, welche das Gasgemisch enthält und üblicherweise aus Glas oder Keramik besteht.
  • Elektroden: Werden verwendet, um elektrische Hochspannungsentladungen oder Hochfrequenzenergie (RF) in das Gas einzukoppeln.
  • Optischer Resonator (Resonator): Hochreflektor (hinterer Spiegel): Ein vollständig reflektierender Spiegel, der häufig aus Silizium oder Molybdän besteht und mit Gold oder einer dielektrischen Beschichtung versehen ist, um 100% des Infrarotlichts zurück in die Röhre zu reflektieren.
    • Auskoppelspiegel (vorderer Spiegel): Ein teilweise reflektierender Spiegel, der einen bestimmten Anteil des Laserlichts als Arbeitsstrahl austreten lässt. Er besteht typischerweise aus speziellen infrarotdurchlässigen Materialien wie Zinkselenid (ZnSe) oder Germanium (Ge).

Wichtige optische Kenngrößen

  • Betriebswellenlänge: Die primäre Ausgangslinie liegt bei 10.6 µm (10600 nm), mit sekundären Linien um 9.6 µm.
  • Ausgangsleistung: Der Bereich reicht von wenigen Milliwatt für spektroskopische Anwendungen bis zu mehreren zehn Kilowatt für die industrielle Schwerbearbeitung.
  • Strahlqualität (M2-Faktor): Hochwertige versiegelte CO2-Laser weisen häufig einen M2-Wert nahe 1.0 auf (entspricht annähernd einem theoretisch perfekten Gaußstrahl), sodass sie auf einen extrem kleinen Strahldurchmesser fokussiert werden können.
  • Wirkungsgrad: Für Gaslaser relativ hoch. Typischerweise werden 10% bis 20% der zugeführten elektrischen Leistung in optische Ausgangsleistung umgewandelt.

Klassifizierungen und Typen

  • Laser mit versiegelter Röhre: Das Gasgemisch ist in der Röhre eingeschlossen. Diese Laser sind kompakt, wartungsarm und werden üblicherweise für Anwendungen mit geringerer Leistung eingesetzt (bis zu einigen hundert Watt).
  • Axialströmungslaser: Das Gasgemisch wird kontinuierlich entlang der Achse des optischen Strahls durch das Laserrohr gepumpt, um Wärme abzuführen. Diese Laser können eine kontinuierliche Leistung im Kilowattbereich erzeugen.
  • Querstromlaser: Das Gas strömt senkrecht zur optischen Achse. Dies ermöglicht sehr hohe Kühlraten und extrem hohe CW-Ausgangsleistungen (oft >10 kW).
  • TEA-Laser (transversal angeregte Atmosphärendrucklaser): Arbeiten bei Atmosphärendruck mit kurzen Hochspannungsimpulsen. Diese erzeugen sehr kurze Impulse mit extrem hoher Spitzenleistung anstelle einer kontinuierlichen Welle.

Anwendungen

  • Industrielle Fertigung: Schneiden, Schweißen und Gravieren von Metallen, Kunststoffen, Holz und Acryl. Die Wellenlänge 10600 nm wird von organischen Materialien und den meisten Nichtmetallen stark absorbiert.
  • Medizin und Chirurgie: Wird in der Dermatologie zur Hauterneuerung und in der Weichteilchirurgie eingesetzt, da die Wellenlänge 10.6 µm stark von Wasser absorbiert wird und dadurch eine präzise Gewebeverdampfung bei minimaler Blutung ermöglicht.
  • Militär: LiDAR-Systeme und Entfernungsmessanwendungen.
  • Spektroskopie: Wird als hochgradig abstimmbare Infrarotlichtquelle zur Identifizierung chemischer Verbindungen eingesetzt.

Praxisbeispiel: Acrylschneidsystem

In einer typischen Lasergravurwerkstatt wird ein versiegelter 60-Watt-CO2-Laser verwendet, um komplexe Formen aus gegossenen Acrylplatten zu schneiden.

Wenn der Bediener die Designdatei an die Maschine sendet, erzeugt ein HF-Netzteil eine Entladung in der versiegelten Röhre. Der dadurch entstehende 10600 nm-Infrarotstrahl verlässt die Röhre durch einen ZnSe-Auskoppelspiegel. Anschließend wird der Strahl über eine Reihe goldbeschichteter „Flying Optics“ aus Silizium, also Spiegel auf beweglichen X-Y-Portalen, zum Schneidkopf geführt. Im Schneidkopf fokussiert eine ZnSe-Linse den 10 Millimeter breiten Strahl auf einen mikroskopisch kleinen Brennfleck direkt auf der Acryloberfläche. Die starke lokale Wärme verdampft das Acryl sofort. Während das Portal den Strahl entlang des programmierten Pfads bewegt, entsteht eine saubere, polierte Schnittkante.