لیزرهای CO2
-
تعریف: لیزرهایی بر پایه ترکیب چند گاز هستند که نور بوسیله مولکولهای دی اکسید کربن تقویت و تولید می شود.
 
لیزر CO2 لیزری است که برپایه یک مخلوط گازی به عنوان ماده فعال کار می کند، این مخلوط ترکیبی از گازهای CO2، هلیوم، نیتروژن و مقدار کمی هیدروژن، بخار آب یا زنون (Xe) است. در این نوع لیزر دمش بصورت الکتریکی و از طریق تخلیه الکتریکی در محیط گازی با جریانAC  یا DC (بطور مثال بین 20 تا 50 کیلوهرتز) یا بوسیله فرکانسهای رادیویی (RF) انجام می‌شود. مولکولهای نیتروژن توسط تخلیه الکتریکی به تراز ارتعاشی ناپایدار تحریک می شوند و انرژی تحریک یافته خود را به هنگام برخورد با مولکولهای CO2 به آنها منتقل می کنند. نقش هلیم کاهش جمعیت تراز پایینی لیزر و از بین بردن حرارت است. ترکیبات دیگر مانند هیدروژن یا بخار آب می تواند به دوباره اکسید کردن (مخصوصا در لیزرهای تیوب بسته) منواکسید کربن (که در حین تخلیه تشکیل می شود) کمک کند.
 
شکل 1: چیدمان شماتیک لیزر دی اکسید کربن تیوب بسته. تیوب گاز یک پنجره Brewster دارد که با آب خنک میشود.
 
لیزرهای CO2 معمولا در طول موج 6/10 میکرومتر اشعه ساطع می کنند، اما طول موجهای دیگری نیز در محدوده 9 الی 11 میکرومتر ( مخصوصا 66/9 میکرمتر) وجود دارد. در بیشتر موارد توان متوسط بین دهها تا چندین کیلووات است. بازدهی تبدیلی توان به حداکثر 10%می رسد که بیشتراز اکثر لیزرهای حالت جامد دارای دمش لامپی است اما این مقدار از بازدهی اکثر لیزرهای دارای دمش دیودی کمتر است.
انواع لیزر
خانواده لیزرهای CO2 بسیار وسیع است:
برای توانهای مابین چند وات و چند صد وات معمولا از لیزرهای تیوب بسته یا بدون جریان(گاز) استفاده می شود. در این لیزرها محفظه گاز و هسته لیزر در یک تیوب کاملا بسته شده هستند. این لیزرها منسجم و کوچک هستند و عمر کاری آنها به چند هزار ساعت می رسد.
لیزرهای توان بالای اسلبی که با پخش خنک می شوند ( با لیزرهای اسلبی حالت جامد اشتباه نشود) که گاز مابین فاصله جفت الکترودهای RF آب- خنک موازی قرار دارد. اگر فاصله بین الکترودها به اندازه کافی نسبت به عرض الکترودها کم ساخته شود، گرمای اضافه بصورت مناسب به طریق پخش به الکترودها منتقل می شود. توان خروجی این لیزرها به چندین کیلووات می رسد.
لیزرهای جریانی-محوری سریع و جریانی-مقطعی سریع که برای توان های خروجی موج-پیوسته چندین کیلووات مناسب می باشند. گرمای اضافه بوسیله جریان سریع مخلوط گاز به یک خنک کننده بیرونی منتقل می شود و گاز دوباره به سیستم برمیگردد و در تخلیه استفاده مجدد می گردد.
لیزرهای اتمسفری تحریک مقطعی(TEA) که در آنها فشار گاز در حد اتمسفر (بالا) است. از آنجاییکه ولتاژ لازم برای تخلیه طولی بسیار بالاست، تحریک مقطعی بوسیله یک سری از الکترودها در طول تیوب انجام می پذیرد. لیزرهای TEA تنها در حالت پالسی کار می کنند و این بدلیل عدم ثبات تخلیه الکتریکی در گاز در فشارهای بالاست. این لیزرها معمولا توان خروجی زیر 100 وات تولید می کنند، اما می توانند برای توانهایی تا دهها کیلووات (در ترکیب با نرخ تکرار پالس بالا) ساخته شوند.
لیزرهای CO2 گازی- دینامیکی با چندین مگاوات توان وجود دارد ( که برای سلاحهای ضد موشک استفاده می شوند) که انرژی آنها با تخلیه الکتریکی در گاز تولید نمی‌شود بلکه با یک واکنش شیمیایی مانند موتور موشک تولید می شود.
تفاوتها بطور عمده در تکنیکهای خروج و انتقال گرماست اما در فشار گاز و هندسه الکترودها نیز اختلاف‌هایی وجود دارد. در لیزرهای تیوبی کم توان ( مانند لیزرهای حکاکی) گرمای اضافی به دیوارهای تیوب بوسیله پخش منتقل می شود یا توسط جریان کم گاز خنک می شود. کیفیت اشعه می تواند به مقادیر خیلی بالا برسد. لیزرهای CO2 توان بالا از یک سیستم همرفتی گازی سریع استفاده می کنند که ممکن است بصورت هم محور (موازی با مسیر اشعه) یا مقطعی ( برای توان های بالا) باشد.
 
کاربردها
لیزرهای  CO2 بطور گسترده در فرآوری مواد مورد استفاده قرار می‌گیرند، مخصوصا در موارد زیر:
برش مواد پلاستیکی، چوب، بردهای قالب و غیره که میزان جذب آنها در طول موج 10.6 میکرومتر بالاست و همچنین توان متوسط بین 20 تا 200 وات کافی است
برش و جوش فلزاتی مانند فولاد زنگ نزن، آلومینیم یا مس که نیازمند توانهای تا چند کیلووات است.
حکاکی لیزری مواد مختلف
کاربردهای دیگر شامل جراحی لیزری ( شامل افتالمولوژی ophthalmology) و فاصله سنجی است.
لیزرهای CO2 که در فرآوری مواد مورد استفاده قرار می‌گیرند (بطور مثال جوشکاری و برش فلزات یا حکاکی لیزری) در حال رقابت با لیزرهای حالت جامد (بخصوص لیزرهای یاگ و فیبر) با طول موج 1 میکرومتر هستند. طول موج های کوتاهتر فواید بهتری از نظر مقدار جذب بیشتر در قطعات فلزی و امکان انتقال اشعه از طریق کابل‌های فیبری دارند. ( هیچ فیبر نوری برای اشعه های لیزربا طول موج 10 میکرومتر وتوان بالا وجود ندارد) همچنین کوچکتر بودن حاصلضرب پارامتر اشعه لیزرهای 1 میکرومترمی‌تواند بسیار سودمند باشد. اما این قابلیت نمی تواند در لیزرهای توان بالای دمش لامپی و دیودی بخاطر هزینه بالا ایجاد گردد. به همین دلیل لیزرهای CO2 هنوز بطور گسترده در صنعت جوشکاری و برشکاری و مخصوصاً در ضخامتهای بالای چند میلیمتر مورد استفاده قرار می گیرند؛ بطوریکه 10% کل فروش لیزرها در سال 2013مربوط به این لیزرها بوده است این روند ممکن است در سالهای آینده بخاطر پیشرفت لیزرهای دیسک نازک و کابلهای فیبری و تکنیکهای افزایش کیفیت باریکة این نوع لیزرها تغییر کند.
به دلیل توانهای بالای این لیزرها و ولتاژ بالای ورودی، مسائل ایمنی در مورد این لیزرها اهمیت بالایی دارد. اگرچه کارکرد در طول موج بلند باعث می شود کار با این لیزرها در دانسیته توان پایین برای چشم ایمن باشد.
 
1394/9/7