Kohlendioxidlaser
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Der Kohlendioxidlaser, oft auch als CO2-Laser bezeichnet, ist ein elektrisch angeregter Gaslaser.
Er zählt neben den Festkörperlasern zu den am häufigsten eingesetzten und leistungsstärksten industriell eingesetzten Lasern. Typische Ausgangsleistungen liegen zwischen 10 W und 15 kW.
Er wird vorrangig zur Materialbearbeitung eingesetzt. Es handelt sich um einen im Mittleren Infrarot (MIR) arbeitenden 3-Niveau-Laser.
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[Bearbeiten] Einsatzgebiet
CO2-Laser sind relativ effizient und kostengünstig, was ihre Verbreitung in der industriellen Materialbearbeitung erklärt. Der Leistungswirkungsgrad liegt bei etwa 10%.
Im Bereich von 10 W bis zu 200 W werden sie vor allem zum Schneiden, Gravieren und Perforieren von dünnem, organischem Material (Kunststoffe, Textilien, Holz etc.) eingesetzt.
Gepulste CO2-Laser werden zum Ritzen und Trennen anorganischer Materialien (z.B. Keramiksubstrate für Hybridschaltkreise) verwendet.
In der Blechbearbeitung (Laserschneiden) werden typischerweise Strahlleistungen von 1 bis 5 kW verwendet. Damit kann Baustahl bis etwa 35 mm und Edelstahl bis etwa 25 mm 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 mm verwendet werden.
CO2-Laser sind das Standardwerkzeug, wenn Blech individuell in kleinen Losgrößen geschnitten wird, bei großen Mengen ist das Stanzen günstiger.
Die Wellenlänge des CO2-Lasers liegt mit 10,6 µm deutlich über dem Bereich sichtbaren Lichtes. Deshalb kann - anders als bei Festkörperlasern oder Diodenlasern - die Strahlung des CO2-Lasers nicht in Glasfasern geführt werden (es gibt keine für diese Wellenlänge ausreichend dämpfungsarmen Materialien). Das Licht wird daher mit Umlenkspiegeln aus Kupfer oder metallbeschichtetem Silizium zum Werkstück geführt. Die Fokussierung erfolgt mit Parabolspiegeln zum Schweißen oder Linsen aus einkristallinem Zinkselenid zum Schneiden.
Die Wellenlänge des CO2-Lasers wird von den meisten Metallen stark reflektiert - damit eignet er sich auf den ersten Blick nicht für deren Bearbeitung. Die Absorption erhöht sich jedoch aufgrund von Mehrfachreflexion, sobald ein Loch im Material entsteht. 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.
[Bearbeiten] Daten
- Verstärkung:
- kontinuierlich bis 100 kW
- gepulst bis 1013 W
- Wirkungsgrad:
- theoretisch max. 40%
- praktisch max. 15%
- Strahleigenschaften:
- Rohstrahldurchmesser 3-20 mm (zum Schneiden fokussierbar auf 15...100 µm))
- hervorragende Strahleigenschaften (TEMoo-Mode) bei langsam geströmten CO2-Lasern bis 1 kW
- Wellenlänge hauptsächlich bei 10,6 µm gelegentlich auch 9,4 µm
(Partialdrücke CO2 : N2 : He ca. 1 : 1 : 8)
Bei gepulsten Lasern kann der He-Anteil geringer sein.
Slab-CO2-Laser enthalten auch Xenon.
[Bearbeiten] Aufbau
Es gibt mehrere prinzipielle Möglichkeiten, CO2-Laser aufzubauen. Im Leistungsbereich von 0,5 kW - 15 kW sind geströmte CO2-Laser am meisten verbreitet. Der Grundaufbau eines solchen geströmten Hochleistungs-CO2-Lasers ist denkbar einfach. Das Lasergas ist ein Gemisch aus drei - für die Funktion wichtigen - Gasen N2, CO2 und He. Im Betrieb entstehen als Abfallprodukt weitere Gase (H2, H2O, CO), weshalb das Lasergas kontinuierlich ausgetauscht oder katalytisch regeneriert werden muss. Das im Rohrsystem des Lasers eingefüllte Gasgesmisch wird zwecks Gasaustausch und Kühlung mit einer Pumpe (Roots-Pumpe oder Turbine) umgewälzt. Damit wird den angeregten CO2 Molekülen mehr Zeit gegeben, wieder in den Grundzustand zu gelangen (siehe Funktion). Im eigentlichen Resonator wird das Gas durch eine entweder mit Gleichstrom oder mit Hochfrequenz betriebene Plasmaentladung angeregt (siehe hierzu auch Artikel Laser).
Man unterscheidet langsam und schnell geströmte CO2-Laser. Bei langsam geströmten Lasern erfolgt nur ein Gasaustausch, die Kühlung findet durch Diffusion an den Rohrwandungen statt. Schnell geströmte Laser haben dagegen einen separaten Kühler im Gasstrom, die Entladungsrohre sind ungekühlt.
Eine Besonderheit bilden die sog. slab-CO2-Laser, diese verwenden eine mit Hochfrequenz betriebene Plasmaentladung zwischen zwei eng beieinander stehenden Platten, die zugleich die Kühlung durch Diffusion bewirken. Der Strahlweg wird durch Spiegel entlang der schmalen Stirnflächen gebildet, die Auskoppelung findet am verkürzten Ende eines der Spiegel statt.
Bei sehr großen Leistungen sind Entladung und Gasströmung quer zur Strahlrichtung, 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 m betragen. Um den Aufbau kompakt zu halten, wird der Strahlengang durch Kupferspiegel gefaltet. Aufgrund dieser schrägen Spiegel (polarisationsabhängige Reflektivität) ist die Strahlung von CO2-Lasern linear polarisiert. Da linear polarisierte Strahlung beim Schneiden von Konturen in Metall zu Problemen der Kantenqualität führt, wird der ausgekoppelte Laserstrahl mittels 2 oder 4 phasendrehender Spiegel zirkular polarisiert.
[Bearbeiten] Funktion
-Quelle: selbst entworfen (Jan. 2005)
-Autor: wisem
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 Lasern. Elektronenanregung und Ionisation findet ebenfalls statt, ist aber für den Anregungsprozess der CO2-Moleküle nicht relevant.
Sind die N2-Moleküle angeregt, können sie nur mit zwei diskreten Amplituden schwingen (v und 2v). 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 deren 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 2v3 angeregt wurden, erst durch spontanen Energieverlust um eine Energiestufe fallen müssen, bevor sie ein Photon abgeben können.
Haben die Moleküle ihre kinetische Energie bis v3 verloren, sind sie in der Lage, von diesem metastabilen Zustand aus in die Zustände 2v2 und v1 zu fallen und dabei Photonen in den bezeichneten Wellenlängen zu emittieren. Es ist wahrscheinlicher, dass die Moleküle den v3 -> v1 Übergang wählen. Daher wird ausschließlich die Wellenlänge um 10,6 µm emittiert, obwohl Verstärkungs-Bandbreite größer ist. Nach diesem Vorgang fallen die CO2-Moleküle wieder in einen metastabilen Zustand. Durch den einen 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.
[Bearbeiten] Siehe auch
[Bearbeiten] Weblinks
Webseite der TRUMPF Lasertechnik
