Углекислотный лазер − это оптический квантовый генератор, в основе которого используется углекислый газ. «Визитной карточкой» данного типа является длина волны излучения 9,4-10,6 мкм, лежащая в 4-ой гармонике инфракрасного спектра (длинноволновое), а также возможность генерации в непрерывном и импульсном режиме.

Такой тип излучения характеризуется высоким тепловым воздействием и, по сравнению с другими лазерами, считается самым мощным, достигая порядка 80 кВт в непрерывном режиме. Стоит отметить и еще одно преимущество углекислотных моделей, а именно высокую эффективность, стоящую на третьем месте среди аналогов и составляющую дифференциальному КПД 15-20%.

Недостаток углекислотного лазера заключается в его сравнительно высокой стоимости. Это обосновано использованием дорогостоящих материалов и технологических особенностей в производстве. Газовые углекислотные модели также значительно уступают по ресурсу твердотельным, но при этом занимают передовые позиции спроса, так как их применение не имеет аналогов в большинстве сфер промышленности и медицины.

Применение

Углекислотные лазеры по сей день остаются самыми востребованными в военном, промышленном, научном и медицинском применении. Благодаря высокой мощности и волновым особенностям излучения, они широко используются во многих сферах промышленности, где инфракрасный CO2 лазер имеет ряд особенностей и отличий.

Оборудование, в котором чаще других применяется углекислотный лазер:

• станки для резки и сварки;
• лазерные граверы и фрезеровщики;
• лазерные маркираторы;
• плазмохимические реакторы;
• оптические сканеры;
• медицинское оборудование;
• исследовательское оборудование.

Достаточно сложно перечислить всю область применения, но все же стоит выделить некоторые сферы, где углекислотные лазеры стали фаворитами.

Резка и сварка металла

Углекислотная модель применяется преимущественно для быстрого раскроя толстолистовой стали, а также металлов с высокой теплопроводностью. За счет мощного локального воздействия луча позволяет получить тонкий рез без оплавления и тепловой деформации кромки. При сварке обеспечивает глубокий и стабильный шов. Может применяться для сварки тугоплавких металлов.

Маркировка

Такие лазеры особо востребованы для маркировки по коже, бумаге, текстилю, резине, пластику и оргстеклу. Для данных материалов ИК-лазер стал единственно возможным решением скоростной динамической маркировки с возможностью получения четкого рисунка без повреждения маркированного материала.

Гравировка

Данное оборудование позволяет быстро выполнить 3D гравировку с наибольшей глубиной прорезания. Также широко используется для фрезеровки и чистки металлов.

Медицина и косметология

CO2 лазер впервые был применен в офтальмологии. Сегодня за счет активного поглощения ИК-луча водой и органическими тканями, его широко используют в хирургии, физиотерапии и диагностике. В некоторых случаях диагностики ИК-лазер может заменить вредное рентгеновское излучение. В косметологии широкое применение лазеры нашли для шлифовки кожи и депиляции.

Исследования

Углекислотный лазер наиболее применим в исследовательской деятельности, в частности в дефектоскопии полупроводниковых материалов. Способность луча проникать и отражаться позволяет обнаруживать дефекты эпитаксиальных слоев, размером 0,1 мм.

В последнее время большой толчок получило лазерное сканирование, где ИК-лазеры стали основным инструментом. Бегающий со скоростью 15 м/с невидимый луч дает возможность получить трехмерное изображение объектов.

Устройство и принцип действия

Углекислотный лазер построен по стандартной схеме фотонного усилителя − активная среда в резонаторе. В качестве активной среды используется газовая смесь углекислоты, азота и гелия. Принципиальное значение в название вида лазера имеет углекислота (CO2 − двуокись углерода). Ведь именно на переходе между колебательными уровнями молекулы CO2, происходит генерация излучения.

Резонатором служит трубка, построенная по схеме Фабри-Перо. Это цилиндрический сосуд с взаимно направленными одним полупрозрачным и вторым глухим торцевыми зеркалами, создающими резонансную волну. Для накачки используется электрический разряд − пропускание через газ постоянного или импульсного тока.

Процесс формирования излучения состоит из 3-х этапов:

1. При прохождении тока (электронного потока) через активную среду, электроны сталкиваются с молекулами азота. При столкновении молекулам азота передается колебательная энергия.
2. Молекулы азота сталкиваются с молекулами углекислоты и передают им часть колебательной энергии. Таким образом происходит инверсия населенностей возбужденных частиц углекислоты.
3. Далее возбужденные молекулы углекислоты сталкиваются с молекулами инертного газа гелия, что приводит к их релаксации с высвобождением спонтанного излучения.

При всем этом сложном процессе выделяемые фотоны, движущиеся параллельно вдоль трубки, поочередно отражаются от торцевых зеркал и создают световой резонанс. С каждым проходом через активную среду происходит оптическое усиление за счет выделения новых фотонов при каждом проходе. Как только достигается критическая инверсия населенностей, из спонтанного излучения развивается генерация лазерного излучения.

Конструктивная схема устройства CO2 лазера намного сложней. Она включает элементы охлаждения, материалы изготовления, точные размеры и др. Также и активная среда может содержать дополнительные газы, служащие для снижения выгорания смеси и усиления ее регенерации.

В целом у каждого производителя всегда есть свои секреты, но для потребителя важней становятся характеристики, содержащие все параметры лазерного излучения. Стоимость углекислотного лазера также может сильно различаться и в основном зависит от мощности и ресурса.