Co to jest laser dwutlenku węgla (CO2)

W trakcie kluczowego okresu transformacji i ulepszania w przemyśle produkcyjnym, firma Jiangpin Technology wybrała lasery dwutlenku węgla jako swoje strategiczne kierunki rozwoju. Wynika to nie tylko z wybitnej obecnej wielkości rynku i tempa jego wzrostu, ale także z zgodności z podstawowymi trendami przyszłej produkcji w kierunku precyzji, elastyczności i ekologiczności. Specjalnie w procesie transformacji Chin z "giganta produkcyjnego" w "mocarstwo produkcyjne", samodzielne panowanie nad zaawansowanym wyposażeniem do obróbki laserowej o wysokiej precyzji stało się kluczowym elementem zapewnienia bezpieczeństwa łańcucha przemysłowego. Teraz zajrzyjmy razem do lasera dwutlenku węgla:

Zasada działania:

Chociaż cząsteczki dwutlenku węgla mogą być bezpośrednio pobudzane do wysokich poziomów energii, wiele badań dowodziło, że przekazanie rezonansowej energii między cząsteczkami azotu jest najefektywniejsze. Cząsteczki azotu są pobudzane przez rozładowanie do metastabilnych poziomów energetycznych drgań i przenoszą tę energię na cząsteczki dwutlenku węgla podczas zderzeń z nimi. Następnie, pobudzone cząsteczki dwutlenku węgla uczestniczą głównie w przejściach laserowych. Hel może zmniejszyć liczbę cząstek o niskiej energii w laserach oraz odprowadzać ciepło. Inne składniki, takie jak wodór lub para wodna, mogą pomóc w ponownym utlenianiu tlenku węgla (CO, który powstaje podczas rozładowania) do dwutlenku węgla.

Lazery CO2 zwykle są w stanie emitować długość fali 10.6 μm, ale istnieje kilkadziesiąt innych linii spektralnych lasera w zakresie 9-11 μm (szczególnie 9.6 μm). Jest to spowodowane tym, że dwie różne siły drganiowe cząsteczek dwutlenku węgla mogą być wykorzystywane jako niskie poziomy energetyczne, a każda siła drganiowa odpowiada dużemu liczbie sił obrotowych, co generuje wiele podpoziomów energetycznych. Większość komercyjnie dostępnych laserów CO2 emituje standardową długość fali 10.6 μm, ale istnieją również urządzenia specjalnie zoptymalizowane dla innych długości fal (np. 10.25 μm lub 9.3 μm), które są bardziej odpowiednie do niektórych zastosowań, takich jak obróbka materiałów laserowych, ponieważ są łatwiej absorbowane podczas oświetlania niektórych materiałów (jak polimerów). Podczas produkcji takich laserów i ich stosowania do oświetlenia może być konieczne użycie specjalnych elementów optycznych, ponieważ standardowe przepuszczające elementy optyczne dla 10.6 μm mogą mieć zbyt silne odbicia.

Moc wyjściowa i efektywność:

W większości przypadków średnia moc wyjściowa wynosi od kilkudziesięciu watów do kilku kilowatów. Efektywność konwersji mocy wynosi około 10%-20%, co jest wyższe niż w większości laserów gazowych i pompowanych lampą lasera stałego, ale niższe niż u wielu laserów pompowanych diodami. Ze względu na dużą moc wyjściową i długą długość fali emisji, lasery CO2 wymagają wysokiej jakości komponentów optycznych w zakresie podczerwieni, które zazwyczaj są wykonane z materiałów takich jak selenek cynku (ZnSe) lub siarczek cynku (ZnS). Lasery CO2 mają dużą moc i wysokie napięcie napędzające, co stawia poważne problemy związane z bezpieczeństwem laserowym. Jednakże ze względu na długą długość fali pracy, są względnie bezpieczne dla oka ludzkiego przy niskich intensywnościach.

Typy laserów CO2:

Dla mocy lasera od kilku watów do kilkuset watów zazwyczaj stosuje się zamknięte rury lub lasery bezprzepływowe, gdzie zarówno jaskinia laserowa, jak i podaż gazu znajdują się wewnątrz zamkniętej rury. Odpadające ciepło przenosi się na ściankę rury za pomocą dyfuzji (głównie efekt helu) lub wolnego przepływu gazu. Ten typ lasera jest kompaktowy, solidny i trwały, a jego czas pracy może łatwo osiągnąć tysiące godzin lub nawet dłużej. W tym punkcie należy przyjąć metodę ciągłego odnowiania gazu, zwłaszcza katalizując ponowne utlenianie dwutlenku węgla, aby przeciwdziałać rozpadowi dwutlenku węglowego. Jakość promieniowania może być bardzo wysoka. WysokopowADOWE lasery płytowe chłodzone dyfuzją umieszczają gaz w przestrzeni między parą płaskich elektrod chłodzonych wodą RF. Jeśli odległość między elektrodami jest mniejsza niż szerokość elektrody, nadmiarowe ciepło zostanie skutecznie przeniesione do elektrod przez dyfuzję. Aby wydobywać energię efektywnie, zazwyczaj stosuje się rezonator niestacjonarny, a sprzężenie wyjściowe odbywa się po stronie wysokiego odbijania. Przy rozsądnym wymaganiu jakości promieniowania można osiągnąć moc wyjściową kilku kilowatów. Lasery o szybkim osiowym przepływie i szybkim przepływie poprzecznym są również odpowiednie do wyjściowej mocy ciągłej fali kilku kilowatów i wysokiej jakości promieniowania. Nadmiarowe ciepło jest odprowadzane przez szybko przepływający mieszany gaz, który następnie jest ponownie wykorzystywany do wypuszczenia po przechodzeniu przez zewnętrzny chłodziacz (wymieniać ciepła). Mieszany gaz może być ciągle odnawiany i okresowo wymieniany. Lasery przepływu poprzecznego mogą osiągnąć najwyższą moc wyjściową, ale jakość promieniowania jest zwykle niska.

Ciśnienie lasera atmosferycznego pobudzanego bocznym impulsem jest bardzo wysokie (około jednego atmosfery). Ponieważ napięcie potrzebne do rozрядu osiowego jest zbyt wysokie, wewnątrz rurki należy używać serii elektrod do pobudzania poprzecznego. Ten laser działa tylko w trybie impulsowym, ponieważ rozpraszanie gazu jest niestabilne przy wysokim napięciu. Ich średnia moc wyjściowa wynosi zwykle mniej niż 100 watów, ale mogą one również osiągnąć kilka kilowatów (połączone z wysoką częstotliwością powtarzania impulsów).
Lazery stanu stałego to lasery oparte na mediach wzmacniających w stanie stałym (takich jak kryształy lub szkła dobre o rzadkich ziemiach lub jonach metali przejściowych), które mogą generować moc wyjściową od kilku miliwatów do kilku kilowatów. Wielu laserom stanu stałego używa lamp błyskowych lub łukowych do pompowania światłem. Te źródła pompowania są stosunkowo tanie i mogą dostarczać bardzo dużą moc, ale ich efektywność jest raczej niska, ich żywotność średnia, a w medio wzmacniającym występują silne efekty termiczne, takie jak efekt soczewki termicznej. Diody laserowe są najczęściej używane do pompowania laserów stanu stałego, a te lasery pompowane diodami laserowymi (DPSS lasery, znane również jako całościowo-stanowo-stałe lasery) mają wiele zalet, takich jak kompaktowa instalacja, długa żywotność i doskonała jakość promienia. Ich tryb pracy może być falą ciągłą, czyli mogą generować ciągły wyjściowy sygnał laserowy, lub impulsowy, czyli mogą produkować krótkotrwałe, wysokomocowe impulsy laserowe.

Lazery dwutlenku węgla, dzięki swoim unikalnym zaletom długości fali i szerokiej adaptacji materiałów, wykazały nierozłączną wartość strategiczną w globalnej obróbce przemysłowej, estetyce medycznej oraz w sektorze nowych źródeł energii. Mimo konkurencyjnego ciśnienia ze strony laserów włókniastych w obszarze obróbki metalu, technologia laserów CO2 wciąż posiada podstawowe przewagi konkurencyjne i szeroki obszar innowacji w specjalistycznych dziedzinach, takich jak obróbka niemetaliczna, wysokoprecyzyjne usuwanie farby oraz głębokie leczenie skóry.

Dla Jiangpin Technology powinno się wykorzystać historyczne okazje związane z modernizacją przemysłu chińskiego oraz globalną transformacją energetyczną, skupiając się na trzech głównych kierunkach: osiągnięciu postępów w stabilności wysokiej mocy (np. rozwiązaniu efektu „ temperaturowego gaszenia”), rozwoju specjalistycznych zastosowań (przetwarzanie urządzeń energetyki odnawialnej) oraz ofercie rozwiązań na miarę dla małych i średnich przedsiębiorstw. Poprzez stworzenie systemu wspólnej innowacji „przemysł-uczelnia-badania-zastosowanie” oraz integrację w ekosystem regionalnego klastra przemysłowego, Jiangpin Technology ma szansę zrealizować strategiczną transformację z podmiotu śledzącego technologie na lidera innowacji w kluczowym okresie rewolucji technologicznej i restrukturyzacji rynku lasery dwutlenku węgla.