Mi az a szén-dioxid (CO2) laser

A gyártási ipar átalakulási és fejlesztési kulcsfontosságú időszakában a Jiangpin Technology választotta ki a szén-dioxid-lézer technológiát stratégiai fejlesztési irányként. Ez nem csupán az egyéb kiváló piaci mérete és növekedési aránya miatt történt, hanem mivel összhangban van a jövőbeni gyártás fő irányával: a pontosítással, rugalmassággal és zöldességgel. Különösen Kína „gyártó óriás”-tól a „gyártó hatalom”-ra való áttérésének folyamatában a magas pontosságú és haladó lézerfeldolgozási berendezések független ellenőrzése kulcsfontosságú elem a gazdagsági lánc biztonságának biztosításához. Most nézzük meg közösösen a szén-dioxid-lézert:

Működési elv:

Bár a szén-dioxid molekulákat közvetlenül is fel lehet izgatni magas energiaszinteken, sok tanulmány bizonyította, hogy a nitrogén-molekula jelentősenergia átvitele a legjobb módszer. A nitrogén-molekulák felszabaduláskor metastabil rezonanciás vibrációs energiaszintre kerülnek, és átadja az izgatott energiát a szén-dioxid molekulának ütközéskor. Ezután az izgatott szén-dioxid molekulák elsősorban részt vesznek a laser átmenetekben. A hélium csökkenti a kisenergiás részecskék számát a laserben és elviszi a hőt. Más összetevők, például a hidrogén vagy a vízgőz segítenek abban, hogy újra oxidálják a szén-monoxid (CO, amely a felszabadulás során keletkezik) szén-dioxiddá.

A CO2-lézer általában képes 10,6 μm hullámhosszúságú sugárzást bocsátani, de van még többi lézer spektrális vonal a 9-11 μm régióban (különösen 9,6 μm). Ez azért van így, mert a szén-dioxid molekulák két különböző rezgési erőssége használható alacsony energiaszintként, és minden rezgési erősséghez nagy számú forgásos erősség tartozik, amelyek számos részenergiaszintet generálnak. A legtöbb piaci CO2-lézer a standard 10,6 μm hullámhosszúságot bocsáti ki, de vannak olyan eszközök is, amelyek más hullámhosszúságokra (például 10,25 μm vagy 9,3 μm) optimalizálva vannak, és ezek alkalmasabbak bizonyos alkalmazásokhoz, mint például a lézeres anyagfeldolgozás, mivel bizonyos anyagok (mint például a polimerek) jobban takarják el őket. Ilyen esetekben speciális optikai komponensek lehetnek szükségesek a lézerek gyártásához és fényforrás-ként való használatuk során, mivel a standard 10,6 μm transzmissziós optikai elemek túl erős visszaverődést okozhatnak.

Kimeneti teljesítmény és hatékonyság:

Legtöbb esetben a kimeneti teljesítmény átlagosan néhány watttól több száz kilowatthoz terjed. A teljesítménnyalátás kb. 10%-20%, ami magasabb, mint a legtöbb gázlézeres és lámpa-pumpált fémálló lézereknél, de alacsonyabb, mint sok diódpumpált lézer esetében. A magas kimeneti teljesítményük és hosszú kibocsátási hullámhosszuk miatt a CO2-lézereknek magas minőségű infravörös optikai komponensekre van szükségük, amelyek általában zén-szelenid (ZnSe) vagy zén-szulfid (ZnS) anyagokból készülnek. A CO2-lézerek magas teljesítményük és magas működtetési feszültségük miatt súlyos biztonsági problémákat okozhatnak. Azonban hosszú működési hullámhosszuk miatt relatíve biztonságosak emberi szem számára alacsony intenzitásoknál.

CO2-lézer típusok:

A lasererő teljesítménye néhány watttól több száz wattig terjed, amikor általánosságban zártna lévő csöveket vagy folyáson kívüli laserek használnak, ahol mind a laseres űrtér, mind pedig a gázellátás a zártna lévő csőben helyezkedik el. A felesleges hő a csövifalra diffúzió útján kerül át (főként a hélium hatásából) vagy lassú gázfolyamattal. Ez a laser kompakt szerkezetű, erős és tartós, és munkaélete könnyen ezer órán túl eltarthat, sőt még hosszabban is. Ezen ponton folyamatosan alkalmazandó a gáz újragenerálása, különösen a monoxid-szénkit egy katalizátorral történő újraoxidálása a szén-dioxid felbontásának ellenére. A sugárminőség nagyon magas lehet. A magas teljesítményű diffúziós hűtésű lapos laserszekrények a gázat a pár vízszintesen hűtött RF elektromos közötti térben helyezik el. Ha az elektromos távolság kisebb, mint az elektromos szélesség, akkor a felesleges hő hatékonyan átkerül az elektrodomokba a diffúzió révén. Az energia hatékony kivonásához általánosságban nem-állapotos rezgőszerkezetet használnak, és a kimeneti kapcsolást a magas visszapörgetés oldalon vézik el. Megfelelő sugárminőséggel több kilowattos kimeneti teljesítmény elérhető. A gyors tengelyes folyású és a gyors átfolyású laserek alkalmasak több kilowattos folyékony hullámú kimeneti teljesítményre és magas sugárminőségre. A felesleges hőt a gyorsan folyó keverékes gáz viszi el, majd azt kihűtés után (hőcserélő) újból használják a feltöltéshez. A keverékes gáz folyamatosan újragenerálható és időnként cserélhető. Az átfolyású laserek a legmagasabb kimeneti teljesítményt érik el, de a sugárminőség általában alacsony.

A függőlegesen izgatott atmoszferikus laser nyomása nagyon magas (kb. egy atmoszféra). Mivel a hosszirányú feltöltéshez szükséges feszültség túl magas, a cső belső elektrodái sorozatként használni kellenek a vízszintes izgatáshoz. Ez a laser csak impulzus módban működik, mivel a gázfeltöltés instabil magas feszültségnél. Átlagos kimeneti teljesítményük általában kevesebb, mint 100 watt, de akár tízesezekig is eljuthatnak kilowattban (magas impulzusismétlődéssal kombinálva).
A szilárdtestes laserek olyan laserek, amelyek szilárdtestes erősítő médiumokon (például kristalyokon vagy üvegeken) alapulnak, amelyek ritkagáz- vagy átmeneti fémmiókkal vannak dopolva, és képesek kimeneti teljesítményt termelni több milliwatttól több kilowatthoz. Sok szilárdtestes laser flaszképet vagy íves lámpát használ a fény-pumpáláshoz. Ezek a pumpáló források viszonylag olcsók, és nagyon magas teljesítményt tudnak biztosítani, de hatékonyságuk viszonylag alacsony, élettartamuk átlagos, és erős hői hatások merülnek fel az erősítő médiumban, például a hői lencsehatás. A legtöbb szilárdtestes laser diód-laserrel kapcsolódik, és ezek a diód-pumpált szilárdtestes laserek (DPSS laser, más néven teljesen szilárdtestes laser) sok előnnyel rendelkeznek, például kompakt telepítéssel, hosszú élettalalival és kiváló sugárminőséggel. Munkamódja folyamatos hullám lehet, azaz képes folyamatos laserkimenetet generálni, vagy impulzus típusú, azaz rövid idejű, magas teljesítményű laserimpulzusokat termelhet.

A szén-dioxid-lézerek, különleges hullámhosszúsági előnyeik és széles anyagkompatibilitásuk miatt mutattak be helyettesíthetetlen stratégiai értéket a globális ipari feldolgozás, orvosi estétika és az új energia területén. Annak ellenére, hogy a fémes anyagok feldolgozásában a szállítószál-lézerek jelentik a versenyi nyomást, a szén-dioxid-lézertechnológia továbbra is tartalmazza a központi versenyelőnyt és a széles innovációs térterüleket specializált területeken, mint például a nem-fémek feldolgozása, a magas-pontosságú festékeltávolítás és a bőr mélykezelése.

A Jiangpin Technology-nek ki kell élveznie az általa nyújtott történelmi lehetőségeket Kína gyártási iparának frissítésével és a globális energiaátalakkal, és három fő irányban kell koncentrálnia: a nagy teljesítményű stabilitás áttörésében (például a „hőmérsékleti lecsapás” hatásának megoldása), a specializált forgatókönyvek fejlesztésében (új energiaeszközök feldolgozása), valamint a kis- és középvállalkozások számára szabványosított megoldások kínálata. Egy együttműködéses innovációs rendszer létrehozásával az „ipar-elemző-kutatás-alkalmazás” területén, valamint a regionális ipari fürt-ekoszisztéma integrálásával a Jiangpin Technology remélhetőleg stratégiai átalakulást ér el technológiai követőről innovációs vezetőre a szén-dioxid-lézer technológiai forradalom és piaci felépítés fontos időszakában.