CO2 레이저

이산화탄소(CO₂) 레이저는 고효율 가스 레이저로, 연속파 또는 펄스 형태의 적외선을 방출합니다. 1964년에 발명되었으며, 오늘날에도 가장 유용하고 강력한 레이저 중 하나입니다. 주로 중적외선 스펙트럼(가장 일반적으로 10.6 µm(10600 nm), 때로는 9.6 µm)에서 작동하므로 사람의 눈에는 보이지 않지만, 강력한 열에너지를 전달하는 데 매우 효과적입니다.

작동 원리

1. 여기(Excitation): 기체 혼합물에 전기 방전을 가하면 질소 분자가 더 높은 진동 에너지 상태로 여기됩니다.
2. 에너지 전달: 질소는 동핵 분자이므로 이 에너지를 오랫동안 유지합니다. 질소 분자는 CO₂ 분자와 충돌하여 진동 에너지를 전달하고 "개수 역전"(더 많은 CO₂ 분자가 낮은 상태보다 여기 상태에 있는 상태)을 달성합니다.
3. 방출: CO₂ 분자가 여기 상태에서 더 낮은 진동 상태로 떨어지면서 적외선 광자(일반적으로 10600 nm)를 방출합니다.
4. 냉각: 헬륨은 두 가지 목적을 수행합니다. CO₂ 분자가 광자를 방출한 후 바닥 상태로 떨어지도록 돕고, 기체 혼합물에서 튜브 벽으로 열을 효율적으로 전달합니다.

물리적 구조

CO₂ 레이저의 물리적 구성은 표준 규산염 유리가 10.6 µm의 빛을 심하게 흡수하기 때문에 특수 광학 부품을 필요로 합니다.

• 방전 튜브: 기체 혼합물을 담는 중앙 챔버로, 일반적으로 유리 또는 세라믹으로 만들어집니다.
• 전극: 기체에 고전압 전기 방전 또는 무선 주파수(RF) 에너지를 전달하는 데 사용됩니다.
• 광학 공진기(Resonator): 고반사경(후면 거울): 실리콘 또는 몰리브덴으로 만들어진 완전 반사 거울로, 금 또는 유전체로 코팅되어 적외선을 100% 튜브 내부로 반사합니다.
  • 출력 커플러(전면 거울): 레이저 광선의 일부가 작동 빔으로 빠져나가도록 허용하는 부분 반사 거울입니다. 일반적으로 셀렌화 아연(ZnSe) 또는 게르마늄(Ge)과 같은 특수 적외선 투과 재료로 만들어집니다.

주요 광학 지표

• 작동 파장: 주 출력은 10.6 µm(10600 nm)이며, 보조선은 약 9.6 µm입니다.
• 출력 전력: 분광학 응용 분야의 경우 수 밀리와트에서 중공업 처리의 경우 수십 킬로와트까지 다양합니다.
• 빔 품질(M² 계수): 고품질 밀봉 튜브 CO₂ 레이저는 종종 1.0에 가까운 M² 값을 가지며(이론적으로 완벽한 가우시안 빔에 근접), 이는 매우 작은 스폿 크기로 초점을 맞출 수 있음을 의미합니다.
• 효율성: 가스 레이저치고는 비교적 높아, 일반적으로 입력 전기 전력의 10%에서 20%를 광학 출력 전력으로 변환합니다.

분류 및 유형

• 밀봉 튜브 레이저: 기체 혼합물이 튜브 내부에 밀봉되어 있습니다. 이들은 소형이며 유지 보수가 거의 필요 없으며 일반적으로 저전력 응용 분야(수백 와트까지)에 사용됩니다.
• 축류 레이저: 기체 혼합물이 광학 빔의 축을 따라 레이저 튜브를 통해 지속적으로 펌핑되어 열을 제거합니다. 수 킬로와트의 연속 전력을 생성할 수 있습니다.
• 횡류 레이저: 기체가 광학 축에 수직으로 흐릅니다. 이를 통해 매우 높은 냉각 속도와 매우 높은 연속 출력(종종 10kW 이상)이 가능합니다.
• TEA(Transversely Excited Atmospheric) 레이저: 대기압에서 짧고 고전압 펄스로 작동합니다. 이들은 연속파가 아닌 매우 짧고 극도로 높은 피크 전력 펄스를 생성합니다.

응용 분야

• 산업 제조: 금속, 플라스틱, 목재, 아크릴의 절단, 용접 및 조각. 10600 nm 파장은 유기 물질 및 대부분의 비금속에 잘 흡수됩니다.
• 의료 및 수술: 피부 재생을 위한 피부과 및 연조직 수술에 사용됩니다. 10.6 µm 파장은 물에 많이 흡수되어 최소한의 출혈로 정밀한 조직 기화를 가능하게 합니다.
• 군사: LiDAR 시스템 및 거리 측정 응용 분야.
• 분광학: 화학 화합물 식별을 위한 고도로 조절 가능한 적외선 광원으로 사용됩니다.

실제 사례: 아크릴 절단 시스템

일반적인 레이저 조각 작업장에서 60와트 밀봉 튜브 CO₂ 레이저는 주조 아크릴 시트에서 복잡한 모양을 절단하는 데 사용됩니다.

작업자가 디자인 파일을 기계로 보내면 RF 전원 공급 장치가 밀봉된 튜브에 방전을 일으킵니다. 결과적으로 생성된 10600 nm 적외선 빔은 ZnSe 출력 커플러를 통해 튜브를 빠져나옵니다. 빔은 일련의 금도금 실리콘 "비행 광학 장치"(움직이는 X-Y 갠트리에 장착된 거울)에 의해 절단 헤드로 유도됩니다. 절단 헤드 내부에서 ZnSe 집속 렌즈는 10mm 너비의 빔을 아크릴 표면에 직접 미세한 초점 스폿으로 집중시킵니다. 강렬한 국부 열은 아크릴을 즉시 기화시켜, 갠트리가 프로그래밍된 경로를 따라 빔을 이동시키면서 깨끗하고 광택 있는 가장자리를 남깁니다.