O que é um laser de dióxido de carbono (CO2)

Durante o período crítico de transformação e atualização no setor manufatureiro, a Jiangpin Technology escolheu lasers de dióxido de carbono como sua direção estratégica de desenvolvimento. Isso não se deve apenas ao seu notável tamanho do mercado atual e taxa de crescimento, mas também porque está alinhado com as tendências centrais do futuro da manufatura em direção à precisão, flexibilidade e sustentabilidade. Especialmente no processo de transformação da China de uma "potência manufatureira" para uma "superpotência manufatureira", o controle independente de equipamentos avançados e de alta precisão para processamento a laser tornou-se um elo-chave para garantir a segurança da cadeia industrial. Agora vamos dar uma olhada juntos no laser de dióxido de carbono:

Princípio de funcionamento:

Embora moléculas de dióxido de carbono possam ser excitadas diretamente para níveis de alta energia, muitos estudos provaram que a transferência de energia ressonante de moléculas de nitrogênio é a mais eficaz. Moléculas de nitrogênio são excitadas pelo descarregamento para níveis de energia vibracional metastável e transferem a energia excitada para moléculas de dióxido de carbono quando colidem com elas. Posteriormente, as moléculas de dióxido de carbono excitadas participam principalmente das transições de laser. O hélio pode reduzir o número de partículas de baixa energia nos lasers e também dissipar o calor. Outros componentes, como hidrogênio ou vapor d'água, podem ajudar a reoxidar monóxido de carbono (CO, formado durante o descarregamento) em dióxido de carbono.

Lasers de CO2 geralmente são capazes de emitir comprimentos de onda de 10,6 μm, mas existem dezenas de outras linhas espectrais de laser na região de 9-11 μm (especialmente 9,6 μm). Isso ocorre porque as duas diferentes forças vibracionais das moléculas de dióxido de carbono podem ser usadas como níveis de energia baixa, e cada força vibracional corresponde a um grande número de forças rotacionais, gerando assim muitos sub-níveis de energia. A maioria dos lasers de CO2 comercialmente disponíveis emite o comprimento de onda padrão de 10,6 μm, mas também existem alguns dispositivos que são especificamente otimizados para outros comprimentos de onda (como 10,25 μm ou 9,3 μm), e esses dispositivos são mais adequados para certas aplicações, como processamento de materiais a laser, pois são mais facilmente absorvidos ao irradiar certos materiais (como polímeros). Componentes ópticos especiais podem ser necessários ao fabricar esses lasers e utilizá-los para iluminação, já que os componentes ópticos transmissores padrão de 10,6 μm podem ter reflexões excessivamente fortes.

Potência de saída e eficiência:

Na maioria dos casos, a potência de saída média varia de dezenas de watts a vários quilowatts. A eficiência de conversão de energia é de aproximadamente 10%-20%, que é maior do que a de maioria dos lasers a gás e lasers sólidos bombados por lâmpadas, mas menor do que a de muitos lasers bombados por diodos. Devido à sua alta potência de saída e comprimento de onda longo de emissão, lasers de CO2 exigem componentes ópticos de infravermelho de alta qualidade, que geralmente são feitos de materiais como seleneto de zinco (ZnSe) ou sulfeto de zinco (ZnS). Lasers de CO2 têm alta potência e alta tensão de condução, o que levanta questões sérias de segurança do laser. No entanto, devido ao seu longo comprimento de onda de trabalho, ele é relativamente seguro para o olho humano em baixas intensidades.

Tipos de laser de CO2:

Para potências de laser que variam de alguns watts a várias centenas de watts, normalmente são usados tubos selados ou lasers sem fluxo, onde tanto a cavidade do laser quanto a fonte de gás estão localizados dentro do tubo selado. O calor residual é transferido para a parede do tubo por difusão (principalmente o efeito do hélio) ou por um fluxo lento de gás. Esse tipo de laser tem uma estrutura compacta, robusta e durável, e sua vida útil pode facilmente atingir milhares de horas ou até mais. Nesse ponto, é necessário adotar o método de regeneração contínua do gás, especialmente catalisando a reoxidação do monóxido de carbono para contrabalançar a dissociação do dióxido de carbono. A qualidade do feixe pode ser muito alta. Lasers de placa resfriados por difusão de alta potência colocam o gás na lacuna entre um par de eletrodos RF resfriados à água planares. Se o espaçamento dos eletrodos for menor que a largura dos eletrodos, o excesso de calor será efetivamente transferido para os eletrodos por difusão. Para extrair energia de forma eficiente, geralmente é empregado um ressonador não estacionário, e o acoplamento de saída é realizado no lado do refletor de alta reflexão. Com uma qualidade razoável do feixe, pode-se alcançar uma potência de saída de vários quilowatts. Lasers de fluxo axial rápido e lasers de fluxo transversal rápido também são adequados para potência de onda contínua de vários quilowatts e alta qualidade de feixe. O excesso de calor é levado embora pelo gás misto em fluxo rápido, que é então reutilizado após passar por um resfriador externo (trocador de calor). O gás misto pode ser regenerado continuamente e substituído ocasionalmente. Lasers de fluxo transversal podem alcançar a maior potência de saída, mas a qualidade do feixe é geralmente baixa.

A pressão do laser atmosférico excitado lateralmente é muito alta (aproximadamente uma atmosfera). Como a voltagem necessária para a descarga longitudinal é muito alta, é necessário usar uma série de eletrodos dentro do tubo para excitação transversal. Este laser opera apenas no modo pulsado, pois a descarga de gás é instável sob alta voltagem. A sua potência de saída média geralmente é inferior a 100 watts, mas também pode atingir dezenas de quilowatts (combinada com uma alta taxa de repetição de pulsos).
Laser de estado sólido são lasers baseados em meios ativos de estado sólido (como cristais ou vidros dopados com íons de terras raras ou metais de transição), que podem gerar potência de saída variando de alguns miliwatts a vários kilowatts. Muitos lasers de estado sólido utilizam lâmpadas flash ou lâmpadas de arco para bombeamento óptico. Essas fontes de bombeamento são relativamente baratas e podem fornecer potência muito alta, mas sua eficiência é bastante baixa, sua vida útil é média, e existem fortes efeitos térmicos no meio ativo, como o efeito de lente térmica. Diodos lasers são mais comumente usados para bombar os lasers de estado sólido, e esses lasers de estado sólido bombeados por laser (lasers DPSS, também conhecidos como lasers totalmente de estado sólido) têm muitas vantagens, como instalação compacta, longa vida útil e excelente qualidade de feixe. Seu modo de operação pode ser em onda contínua, ou seja, pode gerar saída laser contínua, ou do tipo pulsado, ou seja, pode produzir pulsos laser de alta potência em curto período de tempo.

Lasers de dióxido de carbono, com suas vantagens únicas de comprimento de onda e ampla adaptabilidade de materiais, demonstraram valor estratégico irreplaceável nos campos globais de processamento industrial, estética médica e energias renováveis. Apesar da pressão competitiva dos lasers de fibra no campo de processamento metálico, a tecnologia de laser de dióxido de carbono ainda detém vantagens competitivas nucleares e amplo espaço para inovação em áreas especializadas, como processamento de não metais, descamação de tinta de alta precisão e tratamento profundo da pele.

Para a Jiangpin Technology, ela deve aproveitar as oportunidades históricas oferecidas pelo upgrade da indústria manufatureira da China e pela transição energética global, concentrando-se em três direções principais: avanços na estabilidade de alta potência (como resolver o efeito de "quenching de temperatura"), desenvolvimento de cenários especializados (processamento de equipamentos de nova energia) e soluções personalizadas para pequenas e médias empresas. Ao construir um sistema de inovação colaborativa de "indústria-universidade-pesquisa-aplicação" e integrar-se no ecossistema do cluster industrial regional, espera-se que a Jiangpin Technology realize uma transformação estratégica de seguidora tecnológica para líder de inovação durante o período crítico da revolução tecnológica e reconstrução de mercado dos lasers de dióxido de carbono.