¿Qué es un láser de dióxido de carbono?

Durante el período crítico de transformación y actualización en la industria manufacturera, Jiangpin Technology ha elegido los láseres de dióxido de carbono como su dirección de desarrollo estratégico. Esto no solo se debe a su destacado tamaño del mercado actual y tasa de crecimiento, sino también porque está alineado con las tendencias nucleares del futuro de la fabricación hacia la precisión, la flexibilidad y la sostenibilidad. Especialmente en el proceso de la transformación de China de un "gigante de la manufactura" a una "potencia de la manufactura", el control independiente de equipos avanzados de procesamiento láser de alta precisión se ha convertido en un eslabón clave para garantizar la seguridad de la cadena industrial. Ahora echemos un vistazo juntos al láser de dióxido de carbono:

Principio de funcionamiento:

Aunque las moléculas de dióxido de carbono pueden ser excitadas directamente a niveles de alta energía, muchos estudios han demostrado que la transferencia de energía resonante de las moléculas de nitrógeno es la más efectiva. Las moléculas de nitrógeno se excitan mediante el descarga hacia niveles de energía vibratoria metastable y transfieren la energía excitada a las moléculas de dióxido de carbono cuando colisionan con ellas. Posteriormente, las moléculas de dióxido de carbono excitadas participan principalmente en transiciones láser. El helio puede reducir el número de partículas de baja energía en los láseres y también disipar el calor. Otros componentes, como el hidrógeno o el vapor de agua, pueden ayudar a reoxidar el monóxido de carbono (CO, formado durante la descarga) a dióxido de carbono.

Los láseres de CO2 generalmente son capaces de emitir longitudes de onda de 10.6 μm, pero existen docenas de otras líneas espectrales de láser en la región de 9-11 μm (especialmente 9.6 μm). Esto se debe a que las dos diferentes fuerzas vibratorias de las moléculas de dióxido de carbono pueden ser utilizadas como niveles de energía baja, y cada fuerza vibratoria corresponde a un gran número de fuerzas rotacionales, generando así muchos sub-niveles de energía. La mayoría de los láseres de CO2 comercialmente disponibles emiten la longitud de onda estándar de 10.6 μm, pero también hay algunos dispositivos que están específicamente optimizados para otras longitudes de onda (como 10.25 μm o 9.3 μm), y estos dispositivos son más adecuados para ciertas aplicaciones, como el procesamiento de materiales con láser, ya que son más fácilmente absorbidos al irradiar ciertos materiales (como los polímeros). Se pueden requerir componentes ópticos especiales al fabricar dichos láseres y utilizarlos para iluminación, ya que los componentes ópticos transmisivos estándar de 10.6 μm pueden tener reflexiones excesivamente fuertes.

Potencia de salida y eficiencia:

En la mayoría de los casos, la potencia de salida promedio oscila entre decenas de vatios y varios kilovatios. La eficiencia de conversión de potencia es aproximadamente del 10% al 20%, lo cual es mayor que la de la mayoría de los láseres de gas y láseres sólidos bombeados por lámparas, pero menor que la de muchos láseres bombeados por diodos. Debido a su alta potencia de salida y longitud de onda de emisión larga, los láseres de CO2 requieren componentes ópticos de infrarrojo de alta calidad, que generalmente están hechos de materiales como selenuro de zinc (ZnSe) o sulfuro de zinc (ZnS). Los láseres de CO2 tienen alta potencia y alto voltaje de funcionamiento, lo que plantea serios problemas de seguridad láser. Sin embargo, debido a su longitud de onda de trabajo larga, son relativamente seguros para el ojo humano a bajas intensidades.

Tipos de láser de CO2:

Para una potencia de láser que varía desde unos pocos vatios hasta varios cientos de vatios, normalmente se utilizan tubos sellados o láseres sin flujo, donde tanto la cavidad del láser como el suministro de gas están ubicados dentro del tubo sellado. El calor residual se transfiere a la pared de la tubería mediante difusión (principalmente por efecto del helio) o un flujo lento de gas. Este tipo de láser es compacto en su estructura, robusto y duradero, y su vida útil puede fácilmente alcanzar miles de horas o incluso más. En este punto, es necesario adoptar un método de regeneración continua del gas, especialmente catalizando la reoxidación del monóxido de carbono para contrarrestar la disociación del dióxido de carbono. La calidad del haz puede ser muy alta. Los láseres de placa enfriados por difusión de alta potencia colocan el gas en el espacio entre un par de electrodos RF planares enfriados por agua. Si la separación de los electrodos es menor que el ancho de los electrodos, el exceso de calor se transferirá eficazmente a los electrodos mediante difusión. Para extraer energía de manera eficiente, generalmente se emplea un resonador no estacionario, y el acoplamiento de salida se realiza en el lado de alto reflector. Con una calidad de haz razonable, se puede alcanzar una potencia de salida de varios kilovatios. Los láseres de flujo axial rápido y los láseres de flujo cruzado rápido también son adecuados para una potencia de salida continua de varios kilovatios y una alta calidad de haz. El exceso de calor es llevado por el gas mezclado que fluye rápidamente, el cual luego se reutiliza para el descarga después de pasar por un enfriador externo (intercambiador de calor). La mezcla de gases puede regenerarse continuamente y reemplazarse ocasionalmente. Los láseres de flujo cruzado pueden alcanzar la mayor potencia de salida, pero la calidad del haz suele ser baja.

La presión del láser atmosférico excitado lateralmente es muy alta (aproximadamente una atmósfera). Debido a que el voltaje requerido para la descarga longitudinal es demasiado alto, se necesitan usar una serie de electrodos dentro del tubo para la excitación transversal. Este láser solo funciona en modo pulsado porque la descarga de gas es inestable bajo alta tensión. Su potencia de salida promedio suele ser inferior a 100 vatios, pero también puede alcanzar decenas de kilovatios (combinado con una alta frecuencia de repetición de pulsos).
Los láseres de estado sólido son láseres basados en medios de amplificación en estado sólido (como cristales o vidrios dopados con iones de tierras raras o metales de transición), que pueden generar potencias de salida que van desde varios milivatios hasta varios kilovatios. Muchos láseres de estado sólido utilizan lámparas flash o lámparas de arco para la inyección de luz. Estas fuentes de bombeo son relativamente económicas y pueden proporcionar potencias muy altas, pero su eficiencia es bastante baja, su vida útil es promedio, y existen fuertes efectos térmicos en el medio de amplificación, como el efecto de lente térmica. Los diodos láser se utilizan comúnmente para bombear los láseres de estado sólido, y estos láseres de estado sólido bombeados por láser (láseres DPSS, también conocidos como láseres completamente de estado sólido) tienen muchas ventajas, como una instalación compacta, larga vida útil y excelente calidad de haz. Su modo de funcionamiento puede ser de onda continua, es decir, puede generar una salida láser continua, o de pulso, es decir, puede producir pulsos láser de alta potencia en tiempos cortos.

Los láseres de dióxido de carbono, con sus ventajas únicas de longitud de onda y amplia adaptabilidad de materiales, han demostrado un valor estratégico irremplazable en el procesamiento industrial global, la medicina estética y los campos de nueva energía. A pesar de la presión competitiva de los láseres de fibra en el campo del procesamiento de metales, la tecnología de láser de dióxido de carbono sigue teniendo ventajas competitivas nucleares y un amplio espacio de innovación en áreas especializadas como el procesamiento de no metálicos, el desprendimiento de pintura de alta precisión y el tratamiento profundo de la piel.

Para Jiangpin Technology, debe aprovechar las oportunidades históricas presentadas por la actualización de la industria manufacturera china y la transición energética global, y centrarse en tres direcciones principales: avances en la estabilidad de alta potencia (como abordar el efecto de "cuención por temperatura"), desarrollo de escenarios especializados (procesamiento de equipos de energía nueva) y soluciones personalizadas para pequeñas y medianas empresas. Al construir un sistema de innovación colaborativa de "industria-universidad-investigación-aplicación" e integrarse en el ecosistema del clúster industrial regional, se espera que Jiangpin Technology logre una transformación estratégica de seguidor tecnológico a líder de innovación durante el período crítico de la revolución tecnológica y la reconstrucción del mercado de láseres de dióxido de carbono.