CO2 lasery

CO2 lasery

Plyny disponují vlastnostmi, které je předurčují k využití pro generování laserového paprsku. Plynné médium může být excitováno přímým elektrickým proudem, je homogenní, může být jednoduše škálováno a nebrání šíření laserového paprsku. Mají však nižší hustotu aktivních částic. Toto je příčinou větších konstrukčních rozměrů plynových zářičů. Výstupní emise plynného laseru jsou rozloženy do tří samostatných částí elektromagnetického spektra. Jedná se o složky ultrafialového, viditelného a infračerveného záření. Plynové lasery se dále dělí na základě způsobu vzniku fotonů v aktivním médiu. Jedná se o lasery atomární, iontové a molekulové.

Neutrální (atomární) plynové lasery využívají jako své aktivní médium vzácné plyny jako jsou xenon, krypton, argon, neon a jejich směsi. Tyto média produkují světlo v rozsahu mezi středně ultrafialovým až krátkým infračerveným zářením. Jejich využití leží v oblasti jemného zpracování materiálu při nízkém výkonu.

Dalším typem jsou iontové plynové lasery. Ty vyžadují větší budící energii, než je tomu u laserů neutrálních. Produkují záření s kratší vlnovou délkou, a to v rozsahu mezi ultrafialovým až viditelným spektrem. Vyšší hustota elektrického proudu je zapotřebí, jelikož první část energie je spotřebována na tvorbu samotného iontu. Zbylá část energie pak způsobuje samotné buzení. Vyšší budící energie zároveň generuje větší teplo. Zařízení pracující na tomto principu vyžaduje výkonné chlazení. Nabízí však vyšší výstupní výkon a kratší vlnovou délku. V praxi se nejvíce osvědčily opět média vzácných plynů, a to především argon a krypton.

Molekulární plynové lasery produkují relativně dlouhé vlnové délky. Jejich rozsah se pohybuje mezi viditelným až infračerveným zářením. Nejčastěji jsou využívány molekuly oxidu uhelnatého a oxidu uhličitého. Dvouatomové molekuly jsou méně vhodné pro využití v CW (continous wave), neboli kontinuálním módu, oproti impulsnímu módu. Vyšší hustoty elektrického proudu jsou zapotřebí, avšak při větších objemech jsou dosaženy značné výstupní výkony. CO2 lasery prošly značným vývojem pro dosažený vysokých výkonů. Dnešní zářiče s tímto médiem dosahují výkonu až několik kilowatt.

Plyn CO2 je v samotné laserové trubici přítomen z 1-9 %. Zbytek objemu vyplňuje hélium (60-85 %), vodík (13-35 %) a malé množství dalších plynů. Přesný poměr závisí na individuálním návrhu laserové trubice. Pro dostatečnou kvalitu buzení a stimulaci záření je zapotřebí plynů s vysokou čistotou a to až 99.995 %. Přítomnost vodíku v aktivním médiu zvyšuje účinnost buzení, jelikož je energeticky úspornější vybudit molekulu oxidu uhličitého pomocí vybuzeného vodíku. Hélium je přidáno pro zrychlení procesu chlazení CO2 molekul. Vybuzené CO2 molekuly ztrácejí energii ve formě tepla kolizí s héliovými atomy. Ztracená energie je dostatečně velká na to, aby se vybuzená CO2 molekula vrátila do své základní energetické úrovně. Molekula je pak velmi rychle připravena k dalšímu vybuzení. Vyšší teplotní vodivost hélia (6x větší než CO2 a N2) umožňuje odvod energie z místa výboje. Díky tomu lze v laserové trubici vytvářet stabilnější a rovnoměrnější výboje, což umožňuje využití většího pracovního tlaku a zároveň vyššího výkonu paprsku. Oxidy dusíku, vytvořeny reakcemi mezi rozděleným vodíkem a kyslíkem jsou značně nebezpečné při probíhajících reakcích v zářiči. Kyslík v trubici vzniká rozpadem CO2, na CO a O2 Malé množství vodní páry je přidáno do trubice, které snižuje rozpad CO2. Takto je možno významně zvýšit životnost plynu v trubici. Do směsi plynu se přidává i malé množství xenonu, které zvyšuje výkon a účinnost, díky jeho příznivému efektu na excitaci CO2 a N2 molekul.

Z důvodů větších rozměrů laserového zářiče jsou CO2 laserové zařízení konstruovány se statickým umístěním laserové trubice. Výstupní paprsek je pak veden do pracovní hlavy sérií přesných zrcátek, které je třeba citlivě zkalibrovat. Pro odraz silného laserového paprsku je zapotřebí speciálních materiálů. Jedním z nejpoužívanějších řešení pro povrch s takovými požadavky je křemíkový povlak. Materiál čočky pro zaostření laserového paprsku na povrch gravírovaného materiálu je sulfid zinečnatý. Kouř vytvořený během gravírovacího procesu může narušit kvalitu paprsku. Pracovní hlavy gravírovacích strojů k tomu využívají mířený proud vzduchu, který zajistí odvod sublimátu z dráhy zaostřeného paprsku. Mimo jiné je třeba ochránit i dráhu laserového paprsku vedeného do pracovní hlavy. Proto je nezbytné vybavit i nízko výkonové CO2 laserové zařízení silným odsáváním, a to ve spodní části stroje.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *


*