Láser CO2

Un láser de dióxido de carbono (CO₂) es un láser de gas de alta eficiencia que emite un haz de luz infrarroja continuo o pulsado. Inventado en 1964, sigue siendo uno de los láseres más útiles y de mayor potencia disponibles en la actualidad. Como funciona principalmente en el espectro infrarrojo medio, normalmente a 10.6 µm (10600 nm) y ocasionalmente a 9.6 µm, su haz es invisible para el ojo humano, pero resulta muy eficaz para suministrar energía térmica intensa.

Principios de funcionamiento

1. Excitación: Se aplica una descarga eléctrica a la mezcla de gases, excitando las moléculas de nitrógeno a un estado de energía vibracional más alto.
2. Transferencia de energía: Como el nitrógeno es una molécula homonuclear, retiene esta energía durante mucho tiempo. Colisiona con las moléculas de CO₂, les transfiere su energía vibracional y produce una «inversión de población», en la que hay más moléculas de CO₂ en un estado excitado que en un estado de menor energía.
3. Emisión: Cuando las moléculas de CO₂ pasan del estado excitado a un estado vibracional inferior, emiten fotones infrarrojos (normalmente a 10600 nm).
4. Refrigeración: El helio cumple una doble función: ayuda a las moléculas de CO₂ a descender al estado fundamental después de emitir un fotón y transfiere eficazmente el calor de la mezcla gaseosa a las paredes del tubo.

Construcción física

La estructura física de un láser de CO₂ requiere componentes ópticos especializados porque el vidrio de silicato convencional absorbe intensamente la luz a 10.6 µm.

• Tubo de descarga: La cámara central que contiene la mezcla de gases, normalmente fabricada en vidrio o cerámica.
• Electrodos: Se utilizan para aplicar al gas una descarga eléctrica de alto voltaje o energía de radiofrecuencia (RF).
• Cavidad óptica (resonador): Reflector de alta reflectancia (espejo trasero): Un espejo totalmente reflectante, a menudo fabricado en silicio o molibdeno y recubierto de oro o de un material dieléctrico para reflejar 100% de la luz infrarroja de vuelta al tubo.
  • Acoplador de salida (espejo delantero): Un espejo parcialmente reflectante que permite que un porcentaje de la luz láser salga como haz de trabajo. Suele estar fabricado con materiales especiales que transmiten la radiación infrarroja, como el seleniuro de zinc (ZnSe) o el germanio (Ge).

Parámetros ópticos clave

• Longitud de onda de funcionamiento: La emisión principal es de 10.6 µm (10600 nm), con líneas secundarias alrededor de 9.6 µm.
• Potencia de salida: Abarca desde unos pocos milivatios para aplicaciones espectroscópicas hasta decenas de kilovatios para el procesamiento industrial pesado.
• Calidad del haz (factor M²): Los láseres de tubo sellado de CO₂ de alta calidad suelen tener un valor M² próximo a 1.0 (cercano a un haz gaussiano teóricamente perfecto), lo que permite enfocarlos en un punto extremadamente pequeño.
• Eficiencia: Relativamente alta para los láseres de gas, ya que normalmente convierten entre 10% y 20% de la potencia eléctrica de entrada en potencia óptica de salida.

Clasificaciones y tipos

• Láseres de tubo sellado: La mezcla de gases está sellada dentro del tubo. Estos láseres son compactos, requieren poco mantenimiento y suelen utilizarse en aplicaciones de menor potencia (hasta unos cientos de vatios).
• Láseres de flujo axial: La mezcla de gases se bombea continuamente a través del tubo láser a lo largo del eje del haz óptico para disipar el calor. Pueden generar kilovatios de potencia continua.
• Láseres de flujo transversal: El gas fluye perpendicularmente al eje óptico. Esto permite tasas de enfriamiento muy elevadas y potencias de salida continua extremadamente altas (a menudo >10 kW).
• Láseres TEA (de excitación transversal a presión atmosférica): Funcionan a presión atmosférica con pulsos breves de alta tensión. Estos generan pulsos muy cortos con una potencia de pico extremadamente alta en lugar de una onda continua.

Aplicaciones

• Fabricación industrial: Corte, soldadura y grabado de metales, plásticos, madera y acrílicos. La longitud de onda 10600 nm es fuertemente absorbida por los materiales orgánicos y la mayoría de los materiales no metálicos.
• Medicina y cirugía: Se utiliza en dermatología para el rejuvenecimiento cutáneo y en cirugía de tejidos blandos porque el agua absorbe intensamente la longitud de onda de 10.6 µm, lo que permite vaporizar el tejido con precisión y con un sangrado mínimo.
• Defensa: Sistemas LiDAR y aplicaciones de medición de distancias.
• Espectroscopia: Se utiliza como fuente de luz infrarroja altamente sintonizable para identificar compuestos químicos.

Ejemplo práctico: sistema de corte de acrílico

En un taller típico de grabado láser, se utiliza un láser de tubo sellado de 60 vatios de CO₂ para cortar formas complejas en láminas de acrílico colado.

Cuando el operador envía el archivo de diseño a la máquina, una fuente de alimentación de RF inicia una descarga en el tubo sellado. El haz infrarrojo de 10600 nm resultante sale del tubo a través de un acoplador de salida de ZnSe. A continuación, una serie de «ópticas volantes» de silicio recubiertas de oro, es decir, espejos montados en pórticos móviles X-Y, dirige el haz hacia el cabezal de corte. Dentro del cabezal, una lente de enfoque de ZnSe concentra el haz de 10 milímetros de ancho en un punto focal microscópico directamente sobre la superficie acrílica. El intenso calor localizado vaporiza al instante el material acrílico y deja un borde limpio y pulido mientras el pórtico desplaza el haz a lo largo de la trayectoria programada.