Kohlendioxidlaser
Ein Kohlendioxidlaser, CO2-Laser oder Kohlenstoffdioxidlaser ist ein Bauform eines Lasers aus der Gruppe der Gaslaser. Sein aktives Medium ist Kohlenstoffdioxid, dass elektrisch, mit Hilfe einer DC- oder HF-Glimmentladung angeregt wird. Er zählt neben den Festkörperlasern zu den am häufigsten und leistungsstärksten industriell eingesetzten Lasern. Typische Ausgangsleistungen liegen zwischen 10 Watt und 20 Kilowatt. Er wird vorrangig zur Materialbearbeitung eingesetzt. Es handelt sich um einen im mittleren Infrarot (MIR) arbeitenden 4-Niveau-Laser, also einen Infrarotlaser.
CO2-Laser sind relativ effizient und kostengünstig, was ihre Verbreitung in der industriellen Materialbearbeitung erklärt. Der Leistungswirkungsgrad liegt bei etwa 10 bis 20 %.
Er wurde 1964 von C. Kumar N. Patel bei den Bell Laboratories entwickelt.
Einsatz
Im Bereich von 10 Watt bis zu 200 Watt werden sie vor allem zum Schneiden, Gravieren und Perforieren von dünnem, organischem Material (Kunststoffe, Textilien, Holz und so weiter.) eingesetzt. Gepulste CO2-Laser werden zum Ritzen und Trennen anorganischer Materialien (zum Beispiel Keramiksubstrate für Hybridschaltkreise) verwendet. In der Blechbearbeitung (Laserschneiden) werden typischerweise Strahlleistungen von ein bis sechs Kilowatt verwendet. Damit kann Baustahl bis etwa 35 Millimeter und Edelstahl bis etwa 25 Millimeter geschnitten werden. CO2-Laser mit mehr als 6 kW werden hauptsächlich zum Schweißen, Härten und Umschmelzen eingesetzt und können auch zunehmend zum oxidfreien Laserschneiden bis 40 Millimeter verwendet werden. CO2-Laser sind das Standardwerkzeug, wenn Blech individuell in kleinen Losgrößen geschnitten wird, bei großen Mengen ist das Stanzen günstiger.
DieWellenlänge des CO2-Lasers liegt mit 10,6 µm deutlich außerhalb des Transmissionsfensters hochleistungstauglicher Fasermaterialien wie z. B. Quarzglas. Deshalb kann – anders als bei Lasern für den sichtbaren oder nahinfraroten Spektralbereich – die Strahlung des CO2-Lasers nicht in herkömmlichen Lichtwellenleiter auf Glasbasis geführt werden. Das Licht wird daher bislang traditionell mit Metallspiegeln zum Werkstück geführt. Als Alternative setzen sich mehr und mehr spezielle Lichtleitfasern auf Silberhalogenidbasis (PIR-Faser) durch. Die Fokussierung erfolgt mit Parabolspiegeln aus Metall oder Linsen aus einkristallinem Zinkselenid. Die Wellenlänge des CO2-Lasers wird von den meisten Metallen stark reflektiert – damit eignet er sich auf den ersten Blick nicht für deren Bearbeitung. Sobald jedoch durch die teilweise Absorption des Lasers und dem darauf folgenden Materialabtrag (beispielsweise durch Verdampfen) an der Oberfläche des Metallwerkstücks eine Vertiefung in Form einer Kapillare entsteht, wird der Laserstrahl durch Mehrfachreflexion an den Kapillarwänden vollständig absorbiert. Zudem existiert eine Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und dem Metalldampf in der Kapillare durch den Effekt der Plasmaresonanz [1]. Dieser zunächst erforderliche Einstichvorgang ist aufgrund der hohen Rückreflexion und möglicherweise die Fokussieroptik erreichender Metallspritzer technologisch kritisch. Kupfer, Gold und andere Buntmetalle können mit dem CO2-Laser nur schwer bearbeitet werden.
Die Wellenlänge des CO2-Lasers wird von Glas hervorragend absorbiert, daher werden CO2-Laser auch in der Glasbearbeitung eingesetzt, so zum Verschweißen von Halogenglühlampen, zum Gravieren von Trinkgläsern oder zum Anritzen von Ampullen in der Pharmaindustrie.
Bekannt ist auch ein auf laserinduzierten thermischen Spannungen beruhendes Trennverfahren für spröde Materialien (Glas, Keramik). Hierbei wird das Material mit CO2-Lasern lokal erhitzt, jedoch nicht aufgeschmolzen.
Daten
- Leistung:
- kontinuierlich bis 100 kW
- gepulst bis 1013 W
- Wirkungsgrad:
- theoretisch maximal 40 %
- praktisch maximal 15 %
- Strahleigenschaften:
- beugungsbegrenzte Strahlqualität (TEMoo-Mode) bei langsam geströmten CO2-Lasern bis ein Kilowatt
- Wellenlänge hauptsächlich bei 10,6 µm, gelegentlich auch 9,4 µm
Anmerkungen:
- (Partialdrücke CO2 : N2 : He ≈ 1 : 1 : 8)
- Bei gepulsten Lasern kann der He-Anteil geringer sein.
- Slab-CO2-Laser enthalten auch Xenon.
Aufbau
Es gibt mehrere prinzipielle Möglichkeiten, CO2-Laser aufzubauen. Im Leistungsbereich von 0,5 kW bis 15 Kilowatt sind längsgeströmte CO2-Laser am weitesten verbreitet. Man unterscheidet langsam und schnell längsgeströmte CO2-Laser.
Der Grundaufbau eines langsam längsgeströmten Hochleistungs-CO2-Lasers ist denkbar einfach: Das Lasergas (ein Gemisch aus den drei Gasen N2, CO2 und He) wird kontinuierlich mittels einer Vakuumpumpe durch die Entladungsrohre gesaugt. Im Betrieb entstehen als Abfallprodukt weitere Gase (H2, H2O, CO), weshalb das Lasergas kontinuierlich erneuert oder katalytisch regeneriert werden muss. Bei langsam geströmten Lasern erfolgt nur ein Gasaustausch, die Kühlung findet durch Diffusion an den Rohrwandungen statt.
Das im Rohrsystem schnell längsgeströmter Laser eingefüllte Gasgemisch wird zwecks Gasaustausch und Kühlung mit einer weiteren Pumpe (Roots-Pumpe oder Turboverdichter) umgewälzt. Damit wird den angeregten CO2 Molekülen mehr Zeit gegeben, wieder in den Grundzustand zu gelangen (siehe Funktionsprinzip). Schnell geströmte Laser haben einen separaten Kühler (Wärmeübertrager) im Gasstrom, die Entladungsrohre sind ungekühlt.
Im eigentlichen Resonator wird das Gas durch eine entweder mit Gleichstrom oder mit Hochfrequenz betriebene Plasmaentladung angeregt (siehe hierzu auch Artikel Laser).
Bei sehr großen Leistungen sind Entladungen und Gasströmung quer zur Strahlrichtung (quergeströmter CO2-Laser), sodass ein besonders schneller Gasaustausch möglich ist. Damit sinken jedoch Wirkungsgrad und Strahlqualität.
Bei CO2-Lasern können mehrere dieser Verstärkungseinheiten in Reihe aufgebaut werden. Damit kann der Strahlweg über 15 Meter betragen. Um den Aufbau kompakt zu halten, wird der Strahlengang durch Kupfer- oder Goldspiegel gefaltet. Aufgrund dieser schrägen Spiegel (polarisationsabhängige Reflektivität) ist die Strahlung solcher CO2-Laser linear polarisiert. Da linear polarisierte Strahlung beim Schneiden von Konturen in Metall zu Problemen der Kantenqualität führt, wird der ausgekoppelte Laserstrahl mittels zwei oder vier phasendrehender Spiegel zirkular polarisiert.
Eine weitere Bauform sind diffusionsgekühlte CO2-Laser. Sie verwenden eine mit Hochfrequenz betriebene Plasmaentladung im engen Spalt zwischen zwei flächigen Elektroden (beieinander stehende Platten oder ineinander geschobene Zylinder), die zugleich das Gas kühlen. Da kein aktiver Wärmetransport durch Bewegung des Gases stattfindet, wird diese Kühlung als Diffusionskühlung bezeichnet.
Der Strahlweg verläuft bei großen Leistungen mehrfach zwischen den Spiegeln entlang der schmalen Stirnflächen hin und her, die Auskopplung findet mittels einer Aussparung in einer der Spiegelstirnflächen statt. Diese Laser haben daher einen so genannten instabilen Resonator. Mittels optischer Strahlformung können sie dennoch eine hohe Strahlqualität erreichen (bis zu K = 0,9). Die Platten-Bauart wird in Anlehnung an entsprechende Festkörperlaser auch als Slab-Laser bezeichnet und die mit zylindrischen Elektroden als Coax-Laser.
Bei kleinen Leistungen (Leistungen 10–300 Watt) verläuft der Strahl längs zu zwei langgestreckten Elektroden. Bei diesen Lasern findet ein Gasaustausch nur im Rahmen von Wartungszyklen statt (Regeneration).
Bei Impulsbetrieb mit kurzen Pulszeiten (0,01–1 µs) kann bei kleinen Leistungen auf Kühlung und Heliumzusatz verzichtet werden. Solche TEA-CO2-Laser (von engl. transversal excited atmospheric pressure) werden z. B. mit Marx-Generatoren gespeist und als Blümleingenerator aufgebaut. Sie sind quer angeregt und arbeiten auch bei Normaldruck.
Funktion
Die N2-Moleküle werden im Resonator durch eine Gasentladung angeregt. Die N2-Moleküle lassen sich besonders leicht zum Schwingen anregen. Hierbei handelt es sich um eine tatsächliche kinetische Schwingung und keine Anregung der Elektronen der Atome, wie bei anderen Festkörperlaser. Elektronenanregung und Ionisation finden ebenfalls statt, sind aber für den Anregungsprozess der CO2-Moleküle nicht relevant.
Sind die N2-Moleküle angeregt, können sie nur mit zwei diskreten Amplituden schwingen (ν und 2 ν). In diesem angeregten Zustand können die N2-Moleküle sehr lange (Größenordnung: 1 ms) bleiben und es besteht somit eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sie mit CO2-Molekülen kollidieren und diese anregen, in einem derer drei Freiheitsgrade zu schwingen. Natürlich gibt es noch mehr Möglichkeiten, wie die Moleküle schwingen können, doch diese sind für die Funktion des Lasers nicht von Bedeutung. Des Weiteren sei hier erwähnt, dass die Moleküle, welche auf 2 ν3 angeregt wurden, erst durch spontanen Energieverlust um eine Energiestufe fallen müssen, bevor sie ein Photon abgeben können.
Haben die CO2-Moleküle ihre kinetische Energie bis ν3 verloren, sind sie in der Lage, von diesem metastabilen Zustand aus in die Zustände 2 ν2 und ν1 zu fallen und dabei Photonen in den bezeichneten Wellenlängen zu emittieren. Es ist wahrscheinlicher, dass die Moleküle den Übergang ν3 → ν1 wählen. Daher wird ausschließlich die Wellenlänge um 10,6 µm emittiert, obwohl die Verstärkungsbandbreite größer ist. Nach diesem Vorgang fallen die CO2-Moleküle wieder in einen metastabilen Zustand. Durch den Zusammenstoß mit Helium-Atomen geben sie ihre kinetische Energie an diese ab und fallen wieder in den Grundzustand. Dies ist der große Vorteil des CO2-Lasers gegenüber dem Helium-Neon-Laser, bei dem die angeregten Moleküle mit der Wand kollidieren müssen, um in den Grundzustand zu gelangen. Hier ist dies nicht der Fall, weswegen man größere Resonatordurchmesser erreichen kann und so den Wirkungsgrad massiv erhöht.
Siehe auch
Weblinks
Einzelnachweise
- ↑ V. N. Anisimov, A. P. Kozolupenko, A. Yu Sebrant: Plasma transparency in laser absorption waves in metal capillaries. In: Soviet Journal of Quantum Electronics. Band 18, Nr. 12, November 1988, S. 1623–1624, doi:10.1070/QE1988v018n12ABEH012779.