karbondioksit lazer

Bir karbondioksit lazer , CO 2 lazer ya da halk dilinde, karbon dioksit , lazer bir belirtmektedir lazer grubundan farklı tasarımlar sınıfı gaz , moleküler ve kızıl ötesi lazer orta bölgesindeki kızılötesi . Bu lazer ortamı olan karbon dioksit 4 düzeyinde sistemi. Katı hal lazerleri ile birlikte endüstride en güçlü ve en yaygın kullanılan lazerlerden biridir. 80 kW'a kadar çıkış güçleri ve 100 kJ'ye kadar darbe enerjileri elde edilebilir. A CO 2-Lazer, 9.4 ve 10.6 µm bantlarında dalga boyuna sahip bir kızılötesi ışık demeti üretir. CO 2 lazerler de özellikle endüstriyel malzemelerin işlenmesinde kullanılan neden olan, oldukça etkili ve ucuzdur. Verim % 15 ila 20 civarındadır. 1964 yılında C. Kumar N. Patel tarafından Bell Laboratuvarlarında geliştirilmiştir .

işlev

Enerji düzeyi diyagramı CO 2 moleküllerinin serbestlik ilgili derece lazer

Lazer ortamı genellikle CO oluşur 2 -N 2 -O gaz karışımı. K 2 moleküller olan rezonatör bir yan DC ya da HF - boşaltma kızdırma heyecan. K 2 molekülleri, özellikle kolay bir titreşime heyecan olabilir. Bu, gerçek bir kinetik moleküler salınımdır (mevcut durumda bir germe salınımı ) ve katı hal lazerlerinde olduğu gibi atomların elektronlarının uyarılması yoktur . Elektron uyarma ve iyonizasyon da gerçekleşecek, ama olan ilgili olmayan CO uyarma işlemi için 2 moleküller.

N ise 2 molekülü tahrik edilmektedir, sadece olabilir salınım iki farklı olan genliklere (v, 2 cyclotron frekansının). N yana 2 molekülü, kalıcı bir dipol momentine sahip değildir, emisyonu ile salınım seviyeleri arasındaki geçişler fotonların (optik geçişler) yasaklanmıştır ve N 2 molekülleri, bir büyüklükte bir çok uzun bir süre (sipariş için uyarılmış halde kalabilir: 1 Hanım). Nedeniyle uyarılmış halde uzun bir süre için, bu olacağı olasılığı yüksek olan teşvik CO 2 yoluyla molekülleri ikinci tip çarpışmalar salınmaya , dört birinde , normal (bakınız salınımlar moleküler salınım ) -, bu N yapar 2 molekülleri bir tür enerji deposu. CO 2 edilmiş moleküller heyecanlı 2ν için 3 onlar bir fotonu yayarlar önce düzeyinde ilk spontan enerji kaybı yoluyla bir enerji seviyesine düşmesi gerekir.

CO Eğer 2 molekülleri v onların kinetik enerjisini kaybetmiş 3, onlar edebiliyoruz düşmeye bundan yarı kararlı devletler 2 ν içine devlet 2 ve ν 1 belirlenmiş dalga boylarında ve böylece yayan fotonlar. Moleküllerin ν 3  → ν 1 geçişini seçmesi daha olasıdır . Bu nedenle, kazanç bant genişliği daha büyük olmasına rağmen, yalnızca 10.6 µm civarındaki dalga boyu yayılır. Bu işlemden sonra, CO 2 molekülleri, bir yarı kararlı durumuna geri döner. Helyum atomlarıyla çarpıştıklarında kinetik enerjilerini onlara aktararak temel hallerine geri dönerler. Bu CO büyük bir avantaj 2 ile karşılaştırıldığında lazerle helyum-neon lazer uyarılmış atomuna taban durumuna ulaşmak için duvarına çarpması için sahip olduğu,. Burada durum böyle değil, bu nedenle daha büyük rezonatör çapları elde edilebilir ve böylece verimlilik büyük ölçüde artırılabilir.

Tasarımlar

Karbondioksit lazerlerinin yalnızca yapıları açısından örtüşmeyen birkaç olası tasarımı vardır:

  • boyuna ve çapraz akışlı lazerler
    • Yavaş akım lazeri
    • Hızlı akış lazerleri
  • kilitli lazer
  • Dalga kılavuzu lazeri (döşeme lazeri)
  • Enine uyarılmış atmosferik basınçlı lazer (TEA lazer)
  • RF uyarılmış lazerler
  • gaz dinamik lazerler
  • ayarlanabilir yüksek basınçlı lazer

Boyuna ve çapraz akışlı lazerler

Boyuna akışlı bir karbondioksit lazerinin işlevsel prensibi

Yavaş akan bir lazerin temel yapısı nispeten basittir. Azot , karbon dioksit ve helyum gazlarının bir karışımı olan lazer gazı, bir vakum pompası vasıtasıyla boşaltma borusundan sürekli olarak emilir. Bu tasarımda, optik pompalama , deşarj sırasında karbondioksitin bir kısmının karbon monoksit ve oksijene ayrışmasını sağlayan eksenel yönde bir doğru akım deşarjı vasıtasıyla gerçekleşir . Bu nedenle, gaz karışımının yukarıda belirtilen sürekli beslenmesi gereklidir, aksi takdirde bir süre sonra artık karbon dioksit bulunmayacaktır. Soğutma, su ile soğutulan borularda ısı iletimi ile gerçekleşir.

Hızlı akan bir lazer ile boru sistemine doldurulan gaz karışımı, gaz değişimi ve soğutma amacıyla başka bir pompa ( döner loblu pompa veya turbo kompresör ) ile dolaştırılır. Bu, uyarılmış karbondioksit moleküllerine temel durumlarına dönmeleri için daha fazla zaman verir . Hızlı akan lazerlerde gaz akışında ayrı bir soğutucu ( ısı eşanjörü ) bulunur, tahliye tüpleri soğutulmaz.

Çok yüksek güçlerde deşarjlar ve gaz akışı , özellikle hızlı bir gaz değişiminin mümkün olması için ışın yönüne çapraz olarak düzenlenir. Ancak bu, verimliliği ve ışın kalitesini düşürür .

Tamamlanmış lazer

Bir içinde sızdırmaz CO 2 lazer (Engl. Sızdırmaz kapama lazer ) mekanik pompa ile, bir gaz karışımı değiş tokuş değildir. Bunun yerine gaz karışımına hidrojen , su buharı ve oksijen eklenir. Katkılar, optik pompalama sırasında üretilen karbon monoksitin bir platin elektrot üzerinde tekrar karbon dioksit oluşturmak üzere reaksiyona girmesini ve böylece gaz boşluğundaki karbon dioksit içeriğinin yeniden üretilmesini sağlar.

Burada bir boru sistemi yerine dalga kılavuzları da kullanılmaktadır.

Dalga kılavuzu lazeri (döşeme lazeri)

Levha lazer olarak bilinen bu lazer tipinde dalga kılavuzu olarak iki elektrot kullanılır. Gaz karışımı yüksek frekans kullanılarak pompalanır . Bu lazerler bir sahiptir kararsız rezonatör ve yüksek ışın kalitesi olan üretilen ile ışın şekillendirme . Plaka lazerler genellikle kapalıdır, ancak gaz karışımının değiştirilmesi gereken varyantlar da vardır.

Enine uyarılmış atmosferik basınçlı lazer (TEA lazer)

Boyuna akan lazerler, birkaç 10 mbar'ın üzerindeki bir gaz basıncında çalıştırılamaz, aksi takdirde arklar oluşacaktır. Bu sorunu aşmak için deşarj voltajı, gaz akışına çapraz olarak bir mikrosaniyeden daha kısa darbelerde uygulanabilir. Karşılık gelen karbon dioksit lazeri bu nedenle enine uyarılmış atmosferik basınç lazeri, kısa TEA lazeri olarak adlandırılır (TEA, İngilizce enine uyarılmış atmosferik basınç , dt. Enine uyarılmış atmosfer basıncı anlamına gelir ). Bu, bir bara kadar gaz basınçlarını mümkün kılar. 100 ns mertebesinde darbe süreleri elde edilir.

Kullanım alanları

10 watt ila 200 watt aralığında, esas olarak ince, organik malzemeleri ( plastik , tekstil , ahşap vb.) kesmek , kazımak ve delmek için kullanılırlar . Darbeli CO 2 lazerler sıfırdan ve ayrı inorganik malzemeler (kullanılır , örneğin seramik substratlar hibrid devre için). Sac işlemede (lazer kesim), tipik olarak 1 ila 6 kilovatlık ışın güçleri kullanılır. Bu, yaklaşık 35 milimetreye kadar alaşımsız çeliklerin ve yaklaşık 25 milimetreye kadar yüksek alaşımlı çeliklerin kesilebileceği anlamına gelir. CO 2 en fazla 6 kilowatt lazerler ağırlıklı olarak kullanılan kaynak , sertleştirme ve yeniden eritilmesi ve artan oksit içermeyen lazer 40 milimetreye kadar kesilmesi için de kullanılabilir. CO 2 lazerler, sac levha küçük partiler halinde tek tek kesildiğinde standart alettir ; büyük miktarlar için zımbalama daha ucuzdur.

Dalga boyu CO 2 lazer 10.6 um, örneğin cam malzemeler gibi yüksek performanslı cam malzeme dışında da iletim penceredir. B. Kuvars cam . Bu nedenle - CO radyasyon -, görünen veya yakın-kızılötesi tayf aralığında için lazerlerin farklı 2 , geleneksel olarak sevk edilemez lazer cam tabanlı optik dalga kılavuzları . Bu nedenle, ışık geleneksel olarak metal aynalar kullanılarak iş parçasına yönlendirilmiştir. Alternatif olarak, gümüş halojenür bazlı özel optik fiberler ( PIR fiberler ) giderek daha popüler hale geliyor . Odaklama, metalden yapılmış parabolik aynalar veya tek kristal çinko selenitten yapılmış lensler ile yapılır . CO 2 lazerin dalga boyu çoğu metal tarafından güçlü bir şekilde yansıtılır - bu nedenle ilk bakışta bunları işlemek için uygun değildir. Bununla birlikte, lazerin kısmen emilmesi ve ardından malzeme çıkarılması (örneğin buharlaşma yoluyla) nedeniyle metal iş parçasının yüzeyinde bir kılcal şeklinde bir girinti oluşur oluşmaz , lazer ışını birden fazla tarafından tamamen emilir. kılcal duvarlardaki yansımalar. Ayrıca lazer ışını ile kılcal damardaki metal buharı arasında plazma rezonansının etkisiyle bir etkileşim vardır . Başlangıçta gerekli olan bu delme işlemi, odaklama optiğine ulaşabilecek yüksek düzeyde geri yansıma ve metal sıçraması nedeniyle teknolojik olarak kritik öneme sahiptir. Bakır , altın ve diğer demir dışı metaller CO 2 lazer ile ancak zorlukla işlenebilir.

CO dalga boyu 2 lazer mükemmel CO nedenle cam tarafından emilen 2 lazerler de gravür içme gözlük, halojen ampuller kaynak veya farmasötik endüstrisinde ampuller çizilme örneğin cam işleme kullanılır.

Lazer kaynaklı termal gerilimlere dayalı olarak kırılgan malzemeler (cam, seramik) için bir ayırma işlemi de bilinmektedir. Söz konusu malzemenin lokal olarak ısıtılır CO ile 2 lazerler, ancak erimemiş.

CO kullanmak girişimleri vardır 2 uranyum zenginleştirme için lazerler. Uranyum içeren bir gaz lazerle bombalanır ve belirli lazer frekanslarına farklı tepki verir. Uranyum-235 ve uranyum-238 bu şekilde ayrılabilir. Böyle bir teknoloji zaten geliştirildi ve SILEX süreci olarak adlandırılıyor . Bu teknolojinin diğer zenginleştirme süreçlerine göre avantajları, önemli ölçüde daha enerji verimli olması ve daha kompakt bir şekilde inşa edilebilmesidir.

CO 2 lazer da gereklidir , tıbbi uygulamalar için örneğin, fraksiyonel CO 2 cilt lazer tedavisi .

Daha fazla bilgi

  • F. Kneubühl, M. Sigrist: Lazer . 7. baskı. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8351-0145-6 .
  • Jürgen Eichler, Hans-Joachim Eichler: Lazerler: tasarımlar, ışın kılavuzluğu, uygulamalar . 6. baskı. Springer, 2010, ISBN 978-3-642-10461-9 , s. 96-110 (bölüm 6.2 CO 2 lazer).
  • CO 2 lazer , İngiltere Aachen, RWTH Aachen
  • Üzerinde giriş karbondioksit lazeri de Flexikon , bir Wiki DocCheck şirketi

Bireysel kanıt

  1. ^ A b F. Kneubühl, M. Sigrist: Lazer . 7. baskı. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8351-0145-6 , s. 229 ff .
  2. ↑ Jürgen Eichler, Jurgen Eichler, Hans-Joachim Eichler: Lazerler: tasarımlar, ışın kılavuzluğu, uygulamalar . 6. baskı. Springer, 2010, ISBN 978-3-642-10461-9 , s. 96-110 (bölüm 6.2 CO 2 lazer).
  3. ↑ VN Anisimov, AP Kozolupenko, A. Yu Sebrant: Metal kılcal damarlarda lazer absorpsiyon dalgalarında plazma şeffaflığı . İçinde: Sovyet Kuantum Elektroniği Dergisi . kaset 18 , hayır. 12 Kasım 1988, s. 1623-1624 , doi : 10.1070 / QE1988v018n12ABEH012779 .