CO2 Лазеры

CO2 лазер (лазер на углекислом газе) представляет собой лазер на молекулярном газе с излучением в длинноволновой части инфракрасного спектра. В качестве активной среды в нем используется смесь газов, содержащая 10-20% двуокиси углерода CO2, 50-80% гелия He, 10-20% азота N2, 2-5% водорода H2 и/или ксенона Хе. Такой лазер накачивается электрически с помощью газового разряда, создаваемого постоянным током, переменным током (например, 20–50 кГц) или токами радиочастоты (РЧ).

Несмотря на то, что существует возможность прямого возбуждения молекул СО2 на верхний лазерный уровень, наиболее эффективным оказалось использование резонансного переноса энергии от молекул азота. В такой схеме накачки молекулы азота возбуждаются электрическим разрядом на метастабильный колебательный уровень и передают свою энергию возбуждения молекулам СО2 при столкновении с ними. Возбужденные молекулы СО2 затем в значительной степени участвуют в лазерном переходе. Гелий при этом служит как для опустошения нижнего лазерного уровня, так и для отвода тепла. Другие компоненты, такие как водород или водяной пар, могут помочь (особенно в лазерах с запаянными трубками) повторно окислять монооксид углерода (СО, образующийся при работе) до диоксида углерода.

Рис. 1. Схема СО2 лазера на запаянной трубке. Трубка имеет окна Брюстера на торцах, охлаждается водой.

Спектральные линии

СО2 лазеры обычно излучают на длине волны 10,6 мкм, но существуют десятки других лазерных линий в диапазоне 9–11 мкм (в частности, на 9,6 мкм). Это связано с тем, что в качестве нижнего уровня можно использовать два разных колебательных состояния молекул CO2, и для каждого колебательного состояния существует значительное количество вращательных состояний, ведущих к существованию большого количества подуровней. Дипольные переходы (единственные с относительно высокой силой) возможны с ΔJ = ±1, где ΔJ = 1 (R-ветвь) приводит к более высоким энергиям фотонов (более коротким длинам волн), а ΔJ = −1 (P-ветвь) к более низким энергиям:

  • Переходы более сильной полосы, включающие один из двух возможных конечных колебательных уровней, имеют P-ветвь около 10,6 мкм, при этом P20 является доминирующим переходом, а R-ветвь около 10,2 мкм.
  • Переходы другой полосы имеют ветвь P около 9,6 мкм и ветвь R около 9,3 мкм.

Наряду с большинством коммерчески доступных лазеров CO2, работающих на стандартной длине волны 10,6 мкм, существуют устройства, которые специально оптимизированы для работы на других длин волн, таких как 10,25 мкм или 9,3 мкм, такие лазеры намного лучше подходят для определенных применений, например, для лазерной обработки материалов, потому что излучение с такими длинами волн гораздо лучше поглощается в определенных материалах (например, полимерах). Для изготовления таких лазеров и для использования их излучения может потребоваться специальная инфракрасная оптика, так как стандартная трансмиссионная оптика 10,6 мкм может давать слишком сильные отражения.

Путем настройки лазерного резонатора можно обеспечить работу СО2 лазера на одном из более чем дюжины переходов с относительно близко расположенными длинами волн в каждой ветви, но непрерывная настройка длины волны невозможна из-за дискретных вращательных состояний молекул. Без избирательного по длине волны элемента в резонаторе можно получить одновременную генерацию на нескольких переходах или случайные переключения на другие переходы во время работы.

Нестандартные длины волн делают CO2 лазеры подходящими для дополнительных областей применения.

Все линии излучения CO2 лазеров лежат длинноволновой части инфракрасного диапазона, которая является частью среднего инфракрасного диапазона в соответствии с ISO 20473: 2007.

Выходные мощности и эффективность

В большинстве случаев средняя выходная мощность CO2 лазеров составляет от нескольких десятков ватт до многих киловатт. КПД преобразования энергии может составлять от 10 до 20 %, т. е. выше, чем у большинства газовых лазеров (за счет особенно благоприятного пути возбуждения) и также выше, чем у твердотельных лазеров с ламповой накачкой, но ниже, чем у многих лазеров с диодной накачкой.

Из-за высокой выходной мощности и длинных волн излучения для CO2 лазеров требуется высококачественная инфракрасная оптика, часто изготовленная из таких материалов, как селенид цинка (ZnSe) или сульфид цинка (ZnS).

Из-за высокой мощности и высокого напряжения возбуждения CO2 лазеры вызывают серьезные проблемы с лазерной безопасностью. Однако их большая рабочая длина волны делает их относительно безопасными для глаз при низкой интенсивности.

Типы CO2 лазеров

Семейство CO2 лазеров очень разнообразно:

  • Отпаянные CO2 лазеры. Такая конструкция дает около 60 Вт/м, хорошо подходит для лазеров мощностью от нескольких ватт до нескольких сотен ватт, представляет собой запаянную трубку. Образующееся тепло переносится к стенкам трубки путем диффузии (с участием гелия) или медленным потоком газа. Регенерация молекул CO2 из молекул CO образующихся в процессе работы обеспечивается катализатором, в качестве которого выступают пары воды H2O (около 1%). Наличие воды обеспечивается в процессе работы, достаточно просто добавить H2 при заполнении трубки. Такие лазеры компактны и прочны, и их срок службы варьируется в пределах 10000 ч. Качество пучка может быть очень высоким. Лазеры, использующие такую конструкцию дают 1-60 Вт выходной мощности, используются в лазерной хирургии, и промышленности (микрорезание).
  • Волноводные CO2 лазеры. В таких лазерах смесь газов под давлением 100-200 мм рт. находится в зазоре между двумя ВЧ-электродами. Они имеют поперечное возбуждение переменным (30 МГц) током. Избыточное тепло эффективно передается металлическим электродам за счет диффузии и далее отводится водой или потоком воздуха. Дают такие лазеры около 50 Вт/м, могут иметь длину от 50 см, что позволяет создавать миниатюрные аппараты, работающие в отпаянном режиме, например для медицинских применений. Так же в такой конструкции существует возможность существенно увеличить отбор энергии, для этого часто используется неустойчивый резонатор, при этом возможна выходная мощность в несколько киловатт в сочетании с разумным качеством луча.
  • CO2 лазеры с медленной продольной прокачкой. Прокачка необходима, чтобы удалить продукты диссоциации (CO), образующиеся в процессе работы, загрязняющие лазерную среду. Отвод тепла в такой конструкции обеспечивается теплопередачей в радиальном направлении к стеклянным стенкам трубки, которые охлаждаются извне теплоносителем, как правило водой. Такая конструкция обеспечивает высокое качество луча, имеет ограничение по выходной мощности на уровне 50-60 Вт/м. Лазеры, использующие такую конструкцию дают до 50-100 Вт выходной мощности, используются в лазерной хирургии и электронной промышленности.
  • CO2 лазеры с быстрой продольной прокачкой. В таких лазерах скорость прокачки смеси газов достигает 50 м/с, они хорошо подходят для генерации многокиловаттной выходной мощности (1 кВт/м) и высокого качества луча. Избыточное тепло отводится быстро текущей газовой смесью, которая проходит внешний охладитель (теплообменник) перед тем, как снова использоваться в разряде. Помимо охлаждения смесь также пропускается через катализатор для регенерации CO2 из CO. Газ может непрерывно регенерироваться и периодически заменяться. Лазеры, использующие такую конструкцию дают до 1-3 кВт выходной мощности, используются в промышленности для резки металлов.
  • CO2 лазеры с быстрой поперечной прокачкой и поперечным возбуждением (TE-лазеры — Transverse Electric Field). Такие лазеры повторяют конструкцию с быстрой продольной прокачкой, но в отличие от нее прокачка осуществляется перпендикулярно, скорость газов существенно ниже, а давление увеличено примерно в 10 раз до 100 мм рт. ст. При этом возбуждающее поле создается в поперечном направлении, катод представляет из себя непрерывную конструкцию, а анод, чтобы достичь равномерности разряда состоит из ряда отдельных электродов. Это позволяет генерировать мощность 5 кВт/м c низким качества луча. Лазеры, использующие такую конструкцию дают 1-20 кВт выходной мощности, используются в промышленности в металлообработке.
  • Лазеры атмосферного давления с поперечным возбуждением (TEA) имеют схожую с TE лазерами конструкцией, но имеют очень высокое (около атмосферного) давление смеси газов. Лазеры TEA работают только в импульсном режиме (длина импульсов — доли микросекунды), так как постоянный газовый разряд не будет стабильным при высоких давлениях. Выход энергии у таких лазеров 10-50 Дж/л. Часто они имеют среднюю выходную мощность менее 100 Вт, но могут быть изготовлены и для мощностей в десятки киловатт (в сочетании с высокой частотой следования импульсов).
  • Существуют газодинамические СО2 лазеры (разновидность химических лазеров) рассчитанные на мощность в несколько мегаватт (например, для использования в противоракетном оружии), в которых энергия для накачки обеспечивается не газовым разрядом, а химической реакцией.

Применение CO2 лазеров

СО2 лазеры широко используются в качестве промышленных лазеров для лазерной обработки материалов, в частности для:

  • Резка и структурирование пластиковых материалов, дерева, штампованных плит, кусочков стекла и т. д., которые обладают высоким поглощением на длине волны 10,6 мкм, в основном при умеренном уровне мощности 20–200 Вт.
  • Резка, сварка и наплавка металлов, таких как нержавеющая сталь, алюминий или медь, с применением мощности в несколько киловатт.
  • Лазерная маркировка различных материалов.
  • Лазерная закалка деталей машин из стали.
  • Лазерная пайка в электронике.
  • Лазерная 3D печать полимерными материалами.
  • Лазерная хирургия (включая офтальмологию).
  • Метрология (дальномеры, ЛИДАРы, спектроскопия).

Конкуренция с твердотельными лазерами

СО2 лазеры, используемые для лазерной обработки материалов (например, сварка и резка металлов или лазерная маркировка), составляют конкуренцию твердотельным лазерам (в частности, YAG-лазерам и волоконным лазерам), работающим в режиме с длиной волны 1 мкм. Эти более короткие длины волн имеют преимущества, заключающиеся в более эффективном поглощении в металлической заготовке и возможности доставки луча по оптоволоконным кабелям (для мощных 10-мкм лазерных лучей не существует оптических волокон). Кроме того, 1-мкм лучи могут быть более точно сфокусированы при условии высокого качества луча. Что касается поглощения, лазерные лучи CO2 лучше подходят для обработки определенных материалов, таких как полимеры и керамика. Даже когда поглощение хуже, чем для твердотельного лазера, CO2 лазер может быть предпочтительнее как относительно дешевое и надежное решение.

СО2 лазеры по-прежнему широко используются в сфере резки и сварки, особенно для деталей толщиной более нескольких миллиметров, и их продажи по-прежнему составляют значительную часть всех мировых продаж лазеров. Это может до некоторой степени измениться в будущем из-за разработки мощных лазеров на тонких дисках и усовершенствованных волоконных кабелей в сочетании с методами, использующими высокое качество луча таких лазеров.

Библиография

[1]C. K. N. Patel, “Continuous-wave laser action on vibrational–rotational transitions of CO2”, Phys. Rev. 136 (5A), A1187 (1964)
[2]C. K. N. Patel, “Interpretation of CO2 optical maser experiments”, Phys. Rev. Lett. 12 (21), 588 (1964)
[3]C. K. N. Patel, “CW high-power N2-CO2 laser,” Appl. Phys. Lett. 7 (1), 15 (1965)
[4]A. Robinson and D. Johnson, “A carbon dioxide laser bibliography, 1964–1969”, IEEE J. Quantum Electron. 6 (10), 590 (1970)
[5]P. T. Woods et al., “Stable single-frequency carbon dioxide lasers”, J. Phys. E: Sci. Instrum. 9, 395 (1976)
[6]A. L. S. Smith and J. Mellis, “Operating efficiencies in pulsed carbon dioxide lasers”, Appl. Phys. Lett. 41, 1037 (1982)
[7]K. M. Abramski et al., “Power scaling of large-area transverse radiofrequency discharge CO2 lasers”, Appl. Phys. Lett. 54, 1833 (1989)
[8]O. Svelto, Principles of Lasers, Plenum Press, New York (1998)