CO2レーザー

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二酸化炭素（CO2）レーザーは、連続波またはパルスの赤外光ビームを放出する高効率のガスレーザーです。1964に発明され、現在でも利用可能なレーザーの中で最も有用かつ高出力なものの一つです。主に中赤外域、最も一般的には10.6 µm（10600 nm）、場合によっては9.6 µmで動作するため、そのビームは人間の目には見えませんが、強い熱エネルギーを効果的に伝達できます。

動作原理

活性レーザー媒質は、主に二酸化炭素（CO2）、窒素（N2）、ヘリウム（He）からなる混合ガスです。レーザー発振過程は、電子遷移ではなく分子間のエネルギー移動を利用します：
  1. 励起: 混合ガスに放電を加え、窒素分子をより高い振動エネルギー状態へ励起します。
  2. エネルギー移動： 窒素は等核分子であるため、このエネルギーを長時間保持します。窒素分子がCO2分子と衝突すると、その振動エネルギーが移動し、「反転分布」、すなわち低いエネルギー状態よりも励起状態にあるCO2分子の方が多い状態が形成されます。
  3. 発光：CO2 分子が励起状態からより低い振動状態へ遷移すると、赤外光子を放出します（通常は10600 nm）。
  4. 冷却： ヘリウムには2つの役割があります。光子を放出した後のCO2分子が基底状態へ遷移するのを促すとともに、混合ガスの熱を管壁へ効率的に伝達します。

物理構造

CO2レーザーの物理的構成には特殊な光学部品が必要です。これは、一般的なケイ酸塩ガラスが10.6 µmの光を強く吸収するためです。

  • 放電管： ガス混合物を収容する中央のチャンバーで、通常はガラスまたはセラミック製です。
  • 電極：高電圧放電または高周波（RF）エネルギーをガスに供給するために使用されます。
  • 光共振器（共振器）： 高反射ミラー（リアミラー）： 多くの場合、シリコンまたはモリブデンで作られ、金または誘電体でコーティングされた全反射ミラーです。赤外光の 100% をチューブ内へ反射して戻します。
    • 出力カプラー（フロントミラー）： レーザー光の一部を加工用ビームとして外部に取り出す部分反射ミラーです。通常は、セレン化亜鉛（ZnSe）やゲルマニウム（Ge）など、赤外光を透過する特殊材料で作られています。

主要な光学指標

  • 動作波長: 主出力は10.6 µm（10600 nm）で、9.6 µm付近に副線があります。
  • 出力パワー： 分光用途向けの数ミリワットから、大規模な工業加工向けの数十キロワットまでの範囲です。
  • ビーム品質（M2係数）： 高品質な密封管型CO2レーザーは、多くの場合、 M2値が1.0に近く（理論上完全なガウシアンビームに近い）、極めて小さなスポット径に集光できます。
  • 効率： ガスレーザーとしては比較的高く、通常は入力電力の10%～20%を光出力に変換します。

分類と種類

  • 封じ切り管レーザー: 混合ガスが管内に封入されています。小型でメンテナンスが少なく、通常は低出力用途（最大数百ワット）に使用されます。
  • 軸流型レーザー: 熱を除去するため、混合ガスを光ビームの軸に沿ってレーザー管内に連続的に流します。キロワット級の連続出力を生成できます。
  • 横流型レーザー: ガスは光軸に対して垂直に流れます。これにより、非常に高い冷却速度と極めて高い連続波出力（多くの場合>10 kW）が得られます。
  • TEA（大気圧横方向励起）レーザー： 大気圧下で短時間の高電圧パルスを使用して動作します。これにより、連続波ではなく、非常に短く、極めて高いピーク出力を持つパルスが生成されます。

用途

  • 工業製造： 金属、プラスチック、木材、アクリルの切断、溶接、彫刻。10600 nmの波長は、有機材料およびほとんどの非金属材料に強く吸収されます。
  • 医療および外科用途： 10.6 µmの波長は水に強く吸収され、出血を最小限に抑えながら組織を高精度に蒸散できるため、皮膚科のスキンリサーフェシングや軟部組織手術に使用されます。
  • 軍事： LiDARシステムおよび測距用途。
  • 分光法: 化合物の同定に用いる、波長を広範囲に調整可能な赤外光源として使用されます。

実用例: アクリル切断システム

一般的なレーザー彫刻工場では、60ワットの密閉管式CO2レーザーを使用して、キャストアクリル板から複雑な形状を切り出します。

オペレーターが設計ファイルを機械へ送信すると、RF電源が密閉チューブ内で放電を発生させます。生成された 10600 nm の赤外ビームは、ZnSe出力カプラーを通ってチューブから出射します。次に、金コーティングされた一連のシリコン製「フライングオプティクス」（可動X-Yガントリーに取り付けられたミラー）が、ビームを切断ヘッドへ導きます。切断ヘッド内部では、ZnSe集光レンズが幅 10 ミリメートルのビームを、アクリル表面上の微小な焦点に集光します。局所的な高熱によってアクリルは瞬時に気化し、ガントリーがプログラムされた経路に沿ってビームを移動させることで、滑らかに研磨された切断面が形成されます。