چیست یک لیزر دی‌اکسید کربن (CO2)

در دوره حساس تغییر و ارتقاء در صنعت تولید، فناوری جیانگپین انتخاب کردن لیزر دی‌اکسید کربن را به عنوان جهت استراتژیک توسعه خود در نظر گرفته است. این موضوع نه تنها به دلیل اندازه برجسته بازار فعلی و نرخ رشد آن است، بلکه زیرا با روندهای اصلی ساخت در آینده که به سوی دقت، انعطاف‌پذیری و سبز بودن می‌روند، هماهنگ است. به ویژه در فرآیند تبدیل چین از یک «قوطی تولید» به یک «قدرت تولید»، کنترل مستقل تجهیزات پردازش لیزری دقیق و پیشرفته به یک قسمت کلیدی برای تضمین امنیت زنجیره صنعتی تبدیل شده است. حال آنکه حالا با هم به لیزر دی‌اکسید کربن نگاهی بیندازیم:

اصول کار:

هرچند مولکول‌های دی اکسید کربن می‌توانند به سطوح انرژی بالا تحریک شوند، بسیاری از مطالعات ثابت کرده‌اند که انتقال انرژی رزونانسی مولکول‌های نیتروژن موثرترین روش است. مولکول‌های نیتروژن توسط آبشار الکتریکی به سطوح انرژی ارتعاشی متاستابل تحریک می‌شوند و زمانی که با مولکول‌های دی اکسید کربن برخورد می‌کنند، انرژی تحریک شده خود را به آنها منتقل می‌کنند. سپس، مولکول‌های دی اکسید کربن تحریک شده عمدتاً در گذارهای لیزری شرکت می‌کنند. هلیوم می‌تواند تعداد ذرات با انرژی پایین در لیزرها را کاهش دهد و همچنین گرما را حمل و نقل کند. مؤلفه‌های دیگر، مانند هیدروژن یا بخار آب، می‌توانند کمک کنند تا کربن مونوکسید (CO، که طی آبشار الکتریکی شکل می‌گیرد) دوباره به دی اکسید کربن اکسیده شود.

لیزرهاي CO2 معمولاً قادر به انتشار طول موج 10.6 μm هستند، اما دهها خط_spectrum لیزر دیگری در ناحیه 9-11 μm وجود دارد (به ویژه 9.6 μm). این به خاطر این است که دو نیروی متفاوت ارتعاشی مولکول‌های دی اکسید کربن می‌توانند به عنوان سطوح انرژی پایین استفاده شوند و هر نیروی ارتعاشی به تعداد زیادی از نیروهای چرخشی منجر می‌شود که باعث ایجاد بسیاری از سطوح زیر_انرژی می‌شود. بیشتر لیزرهاي CO2 موجود در بازار طول موج استاندارد 10.6um را انتشار می‌دهند، اما دستگاه‌هایی نیز وجود دارند که برای طول‌های موج دیگر به طور خاص بهینه‌سازی شده‌اند (مانند 10.25um یا 9.3um) و این دستگاه‌ها برای برخی کاربردها مانند فرآیندهای مواد با لیزر مناسب‌تر هستند چرا که وقتی برخی مواد (مانند پلیمرها) تابش می‌شوند، آن‌ها را بهتر جذب می‌کنند. برای تولید این لیزرها و استفاده از آن‌ها برای روشنایی، ممکن است نیاز به اجزای نوری خاص باشد، زیرا اجزای نوری استاندارد قابل عبور 10.6um ممکن است بازتاب‌های بسیار قوی داشته باشند.

توان خروجی و کارایی:

در بیشتر موارد، توان خروجی میانگین از ده‌ها وات تا چندین کیلووات متغیر است. کارایی تبدیل انرژی حدود ۱۰٪ تا ۲۰٪ است که بالاتر از بیشتر لیزرهاي گازی و لیزرهای جامد با پمپ‌کشیدن لمپ است، اما پایین‌تر از بسیاری از لیزرهاي با پمپ‌کشیدن دیود است. به علت توان خروجی بالا و طول موج انتشار بلند، لیزر CO2 نیازمند مولفه‌های نوری با کیفیت بالا در فرکانس‌های فروسرخ است که معمولاً از موادی مثل سلنید روی (ZnSe) یا سولفید روی (ZnS) ساخته می‌شوند. لیزر CO2 دارای توان بالا و ولتاژ راندمانی بالا است که مسائل جدی ایمنی لیزر را ایجاد می‌کند. با این حال، به علت طول موج کاری بلندش، در شدت‌های پایین نسبتاً ایمن برای چشم انسان است.

انواع لیزر CO2:

برای توان لیزری که از چند وات تا چند صد وات متنوع است، معمولاً لیزرها با لوله‌های محکم یا بدون جریان استفاده می‌شوند، جایی که هم حفره لیزر و هم منبع گاز در داخل لوله محکم قرار دارند. گرما به صورت فاضل از طریق نفوذ (به طور اصلی اثر هلیوم) یا جریان آهسته گاز به دیواره لوله منتقل می‌شود. این نوع لیزر از ساختار فشرده، مقاوم و پایدار برخوردار است و دوره کاری آن به راحتی می‌تواند به هزاران ساعت یا حتی بیشتر برسد. در این مرحله، روش بازتولید مداوم گاز باید اتخاذ شود، به خصوص با کاتالیز مجدد اکسیداسیون گاز کربن مونوکسید برای مقابله با تجزیه دی‌اکسید کربن. کیفیت پرتو می‌تواند بسیار بالا باشد. لیزرهای صفحه‌ای با گرمایش نفوذی با توان بالا، گاز را در فاصله بین یک زوج الکترود RF آب‌سرد شده قرار می‌دهند. اگر فاصله الکترود کمتر از عرض الکترود باشد، حرارت اضافی به طور موثری از طریق نفوذ به الکترود منتقل خواهد شد. برای استخراج انرژی به صورت کارآمد، معمولاً از رزوناتور غیرحالت ثابت استفاده می‌شود و جفت‌دهی خروجی روی سمت بازتابگر بالا انجام می‌شود. تحت کیفیت پرتو منطقی، می‌توان توان خروجی چند کیلوواتی به دست آورد. لیزرهای جریان محوری سریع و لیزرهای جریان متقاطع سریع نیز برای توان خروجی مداوم چند کیلوواتی و کیفیت پرتوی بالا مناسب هستند. گرما فاضل توسط جریان سریع گاز مخلوط حمل و نقل می‌شود و سپس پس از گذر از یک سیستم خنک‌کننده خارجی (تبادل گرما) برای آزادسازی مجدد استفاده می‌شود. گاز مخلوط می‌تواند به طور مداوم بازتولید و گاهی جایگزین شود. لیزرهای جریان متقاطع بالاترین توان خروجی را می‌توانند دستیابند، اما کیفیت پرتو معمولاً پایین است.

فشار ليزر جوی که به طور جانبی تحریک می‌شود بسیار بالا است (تقریباً یک فشار جو). چون ولتاژ مورد نیاز برای تخلیه طولی بسیار بالا است، سری از الکترودها در داخل لوله برای تحریک عرضی استفاده می‌شوند. این نوع ليزر فقط در حالت پالسی کار می‌کند زیرا تخلیه گاز تحت ولتاژ بالا ناپایدار است. توان خروجی متوسط آنها معمولاً کمتر از ۱۰۰ وات است، اما می‌توانند حتی به ده‌ها کیلووات نیز دست یابند (با ترکیب با نرخ تکرار پالس بالا).
لیزرهای حالت جامد، لیزرهاي مبتنی بر رسانه های افزایش گر حالت جامد (مانند بلورها یا شیشه هایی که با یون های زمین نادر یا فلزات انتقالی دوپ شده اند) هستند که می توانند توان خروجی بین چند میلی وات تا چند کیلووات تولید کنند. بسیاری از لیزرهای حالت جامد از لمپ های فلاش یا لمپ های کمان الکتریکی برای پمپینگ نور استفاده می کنند. این منابع پمپینگ نسبتاً ارزان هستند و می توانند توان بسیار بالایی را ارائه دهند، اما کارایی آنها نسبتاً پایین است، طول عمر آنها متوسط است و اثرات حرارتی قوی در رسانه افزایش گر وجود دارد، مانند اثر عدسی حرارتی. دیودهای لیزری به طور معمول برای پمپینگ لیزرهای حالت جامد استفاده می شوند و این لیزرها که توسط لیزر پمپ می شوند (لیزر DPSS، که همچنین به عنوان تمام لیزرهای حالت جامد شناخته می شوند) دارای بسیاری از مزایایی هستند، مانند نصب کompact، طول عمر طولانی و کیفیت پرتو عالی. حالت کاری آن می تواند موج پیوسته باشد، یعنی می تواند خروجی لیزر پیوسته تولید کند، یا نوع ضربه ای، یعنی می تواند نبض های لیزری با توان بالا در زمان کوتاه تولید کند.

لیزرهاي دی‌اکسید کربن با مزیت های منحصر به فرد موج طولی خود و سازگاری گسترده با مواد مختلف، ارزش استراتژیک جایگزین ناپذیری در پردازش صنعتی جهانی، زیبایی پزشکی و حوزه های انرژی جدید نشان داده اند. با وجود فشار رقابتی از لیزرهای فایبری در حوزه پردازش فلزات، فناوری لیزر دی‌اکسید کربن همچنان برتری های رقابتی اصلی و فضاي گسترده ای برای نوآوری در حوزه های تخصصی مانند پردازش غیرفلزی، حذف نقاشی با دقت بالا و درمان عمیق پوست دارد.

برای شرکت فناوری جیانگ‌پین، این شرکت باید از فرصت‌های تاریخی ارائه شده توسط ارتقاء صنعت تولید چین و گذار جهانی انرژی استفاده کند و بر سه جهت اصلی تمرکز کند: پیشرفت در پایداری توان بالا (مانند پرداختن به اثر "خاموش شدن دما")، توسعه سناریوهای تخصصی (پردازش تجهیزات انرژی جدید) و راه‌حل‌های سفارشی برای شرکت‌های کوچک و متوسط. با ایجاد یک سیستم نوآوری مشارکتی "صنعت-دانشگاه-تحقیق-کاربرد" و ادغام در اکوسیستم خوشه صنعتی منطقه‌ای، انتظار می‌رود فناوری جیانگ‌پین در دوره بحرانی انقلاب فناوری و بازسازی بازار لیزرهای دی‌اکسید کربن، به یک تحول استراتژیک از یک پیرو فناوری به یک رهبر نوآوری دست یابد.