CO2-Laser

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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 und leistungsstärksten industriell eingesetzten Lasern. Typische Ausgangsleistungen liegen zwischen 10 W und 20 kW. Er wird vorrangig zur Materialbearbeitung eingesetzt. Es handelt sich um einen im mittleren Infrarot (MIR) arbeitenden 4-Niveau-Laser.

CO₂-Laser sind relativ effizient und kostengünstig, was ihre Verbreitung in der industriellen Materialbearbeitung erklärt. Der Leistungswirkungsgrad liegt bei etwa 10–20 %.

Einsatz

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 usw.) 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 6 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.

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 (TEM_oo-Mode) bei langsam geströmten CO₂-Lasern bis 1 kW
  • Wellenlänge hauptsächlich bei 10,6 µm gelegentlich auch 9,4 µm

• Gasanteile:
  • CO₂ → 10³ Pa
  • N₂ → 10³ Pa
  • He → 10⁴ Pa
  • H₂ und H₂O → ~10² Pa
    

(Partialdrücke CO₂ : N₂ : He ca. 1 : 1 : 8)
Bei gepulsten Lasern kann der He-Anteil geringer sein.
Slab-CO₂-Laser enthalten auch Xenon.

Aufbau

Funktionsprinzip eines geströmten Hochleistungs-CO₂-Lasers

Es gibt mehrere prinzipielle Möglichkeiten, CO₂-Laser aufzubauen. Im Leistungsbereich von 0,5 kW - 15 kW 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 Gasgesmisch 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 Funktion). 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 m 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 2 oder 4 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 sogenannten 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

Energieniveau-Schema eines CO₂-Lasers mit relevanten Freiheitsgraden der Moleküle.

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 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 (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 Übergang v₃→v₁ 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

• Laserschneiden
• Laserschweißen