Cosa è un laser ad anidride carbonica (CO2)

Nel periodo critico di trasformazione e aggiornamento del settore manifatturiero, Jiangpin Technology ha scelto i laser a biossido di carbonio come direzione strategica di sviluppo. Questa scelta è dovuta non solo alle eccellenti dimensioni attuali del mercato e al suo tasso di crescita, ma anche perché si allinea con le tendenze fondamentali della futura produzione verso precisione, flessibilità e sostenibilità. In particolare, nel processo di trasformazione della Cina da una "potenza manifatturiera" a una "superpotenza manifatturiera", il controllo autonomo di attrezzature avanzate per il trattamento laser ad alta precisione è diventato un anello chiave per garantire la sicurezza della catena industriale. Ora diamo un'occhiata insieme al laser a biossido di carbonio:

Principio di funzionamento:

Anche se le molecole di anidride carbonica possono essere direttamente eccitate a livelli energetici elevati, numerosi studi hanno dimostrato che il trasferimento di energia risonante delle molecole di azoto è il più efficace. Le molecole di azoto vengono eccitate dalla scarica a livelli energetici metastabili vibrazionali e trasferiscono l'energia eccitata alle molecole di anidride carbonica quando collide con loro. Successivamente, le molecole di anidride carbonica eccitate partecipano principalmente alle transizioni laser. L'elio può ridurre il numero di particelle ad energia bassa nei laser e portare via anche il calore. Altri componenti, come l'idrogeno o il vapore acqueo, possono aiutare a riossidare il monossido di carbonio (CO, formato durante la scarica) in anidride carbonica.

I laser a CO2 sono generalmente in grado di emettere lunghezze d'onda di 10,6 μm, ma esistono decine di altre linee spettrali laser nella regione 9-11 μm (soprattutto 9,6 μm). Questo è dovuto al fatto che le due diverse forze vibrazionali delle molecole di anidride carbonica possono essere utilizzate come livelli energetici bassi, e ogni forza vibrazionale corrisponde a un gran numero di forze rotazionali, generando così numerosi sottolivelli energetici. La maggior parte dei laser a CO2 disponibili sul mercato emette la lunghezza d'onda standard di 10,6 μm, ma esistono anche alcuni dispositivi ottimizzati specificamente per altre lunghezze d'onda (come 10,25 μm o 9,3 μm), e questi dispositivi sono più adatti per alcune applicazioni, come il trattamento dei materiali con laser, poiché vengono assorbiti più facilmente quando irradiano certi materiali (come i polimeri). Potrebbero essere necessari componenti ottici speciali durante la produzione di tali laser e il loro utilizzo per l'illuminazione, poiché i componenti ottici trasmissivi standard da 10,6 μm potrebbero avere riflessioni eccessivamente forti.

Potenza di uscita ed efficienza:

In gran parte dei casi, la potenza di uscita media varia da decine di watt a diversi kilowatt. L'efficienza di conversione della potenza è circa tra il 10% e il 20%, che è più alta rispetto a quella di gran parte dei laser a gas e dei laser solidi a pompa lampada, ma inferiore rispetto a molti laser a pompa diodi. A causa della sua alta potenza di uscita e della lunga lunghezza d'onda di emissione, i laser CO2 richiedono componenti ottici infrarossi di alta qualità, che sono solitamente realizzati con materiali come il selenio zinco (ZnSe) o lo zolfo zinco (ZnS). I laser CO2 hanno alta potenza e alta tensione di accensione, il che pone seri problemi di sicurezza per i laser. Tuttavia, a causa della loro lunga lunghezza d'onda operativa, sono relativamente sicuri per l'occhio umano a basse intensità.

Tipi di laser CO2:

Per potenze laser comprese tra pochi watt e diverse centinaia di watt, vengono generalmente utilizzati tubi sigillati o laser senza flusso, dove sia la cavità laser che l'approvvigionamento di gas sono posizionati all'interno del tubo sigillato. Il calore residuo viene trasferito al muro della tubazione attraverso diffusione (soprattutto l'effetto dell'elio) o un flusso lento di gas. Questo tipo di laser è compatto nella struttura, robusto e duraturo, e la sua vita operativa può facilmente raggiungere migliaia di ore o anche di più. A questo punto, è necessario adottare un metodo di rigenerazione continua del gas, in particolare catalizzando la riossidazione del monossido di carbonio per contrastare la dissociazione dell'anidride carbonica. La qualità del fascio può essere molto alta. I laser a lastre con raffreddamento per diffusione ad alta potenza posizionano il gas nello spazio tra una coppia di elettrodi RF a piatto raffreddati con acqua. Se lo spazio tra gli elettrodi è inferiore alla larghezza degli elettrodi, il calore eccedente verrà efficacemente trasferito agli elettrodi attraverso diffusione. Per estrarre energia in modo efficiente, viene generalmente impiegato un risonatore non stazionario, e il couplaggio di uscita avviene sul lato dello specchio ad alta riflessione. Con una qualità del fascio ragionevole, è possibile ottenere una potenza di uscita di diversi kilowatt. I laser a flusso assiale rapido e i laser a flusso transversale rapido sono altresì adatti per un'uscita continua a onde di diversi kilowatt e alta qualità del fascio. Il calore eccedente viene portato via dal gas misto in rapido flusso, che viene poi riutilizzato per la scarica dopo essere passato attraverso un raffreddatore esterno (scambiatore di calore). Il gas misto può essere rigenerato continuamente e sostituito occasionalmente. I laser a flusso transversale possono raggiungere la potenza di uscita più alta, ma la qualità del fascio è solitamente bassa.

La pressione del laser atmosferico eccitato lateralmente è molto alta (circa una atmosfera). Poiché la tensione richiesta per la scarica longitudinale è troppo elevata, viene utilizzata una serie di elettrodi all'interno della tubatura per l'eccitazione trasversale. Questo laser funziona solo in modalità a impulsi poiché la scarica a gas è instabile ad alta tensione. La loro potenza media di uscita è generalmente inferiore a 100 watt, ma possono anche raggiungere decine di chilowatt (combinata con un alto tasso di ripetizione degli impulsi).
I laser a stato solido sono laser basati su medi di amplificazione a stato solido (come cristalli o vetri dopati con ioni di terre rare o metalli di transizione), i quali possono generare potenze di uscita comprese tra pochi milliwatt e alcuni kilowatt. Molti laser a stato solido utilizzano lampade a flash o lampade a arco per il pompage ottico. Queste fonti di pompage sono relativamente economiche e possono fornire potenze molto elevate, ma la loro efficienza è piuttosto bassa, la loro durata media, e ci sono forti effetti termici nel mezzo di amplificazione, come l'effetto lente termica. I diodi laser vengono comunemente utilizzati per pompare i laser a stato solido, e questi laser pompati a laser (DPSS lasers, noti anche come laser completamente a stato solido) hanno molti vantaggi, come installazioni compatte, lunga durata e ottima qualità del fascio. Il loro modo di funzionamento può essere a onda continua, cioè possono generare un output laser continuo, o a impulso, cioè possono produrre impulsi laser ad alta potenza in brevi intervalli di tempo.

I laser a diossido di carbonio, grazie ai loro vantaggi unici di lunghezza d'onda e alla vasta adattabilità dei materiali, hanno dimostrato un valore strategico insostituibile nei settori globali del trattamento industriale, della medicina estetica e dei nuovi energie. Nonostante la pressione competitiva dei laser a fibra nel campo della lavorazione dei metalli, la tecnologia laser a diossido di carbonio mantiene ancora vantaggi competitivi di base e ampio spazio per l'innovazione in aree specializzate come la lavorazione di non metalli, il peeled ad alta precisione e il trattamento cutaneo profondo.

Per Jiangpin Technology, è necessario cogliere le opportunità storiche offerte dal rinnovamento dell'industria manifatturiera cinese e dalla transizione energetica globale, concentrandosi su tre direzioni principali: progressi nella stabilità ad alta potenza (come la risoluzione dell'effetto "temperatura quenching"), sviluppo di scenari specializzati (elaborazione di attrezzature per l'energia verde) e soluzioni personalizzate per piccole e medie imprese. Attraverso la costruzione di un sistema di innovazione collaborativa tra "industria-università-ricerca-applicazione" e l'integrazione nel sistema ecologico del cluster industriale regionale, si prevede che Jiangpin Technology realizzi una trasformazione strategica da seguace tecnologico a leader di innovazione durante il periodo critico della rivoluzione tecnologica e della ricostruzione del mercato dei laser a biossido di carbonio.