Что такое углекислый лазер

В период критических преобразований и модернизации в обрабатывающей промышленности компания Jiangpin Technology выбрала углекислые лазеры как стратегическое направление развития. Это связано не только с выдающимися показателями текущего размера рынка и темпов роста, но и с тем, что это соответствует ключевым тенденциям будущего производства в направлении точности, гибкости и экологичности. Особенно в процессе перехода Китая от "промышленного гиганта" к "промышленной державе" независимый контроль над высокоточным и передовым лазерным оборудованием стал ключевым звеном для обеспечения безопасности производственной цепочки. Теперь давайте вместе взглянем на углекислый лазер:

Принцип работы:

Несмотря на то, что молекулы углекислого газа могут быть непосредственно возбуждены до высоких энергетических уровней, многие исследования доказали, что резонансный перенос энергии азотных молекул является наиболее эффективным. Азотные молекулы возбуждаются разрядом до метастабильных колебательных энергетических уровней и передают возбужденную энергию молекулам углекислого газа при их столкновении. Затем возбужденные молекулы углекислого газа в основном участвуют в лазерных переходах. Гелий может сократить количество частиц с низкой энергией в лазерах и также отводить тепло. Другие компоненты, такие как водород или водяной пар, могут способствовать повторной окислации угарного газа (CO, образующегося во время разряда) до углекислого газа.

Лазеры на углекислом газе обычно способны излучать длину волны 10,6 μм, но существует десятки других лазерных спектральных линий в диапазоне 9-11 μм (особенно 9,6 μм). Это связано с тем, что две различные колебательные силы молекул двуокиси углерода могут использоваться как низкие уровни энергии, и каждая колебательная сила соответствует большому числу вращательных сил, что приводит к образованию многих подуровней энергии. Большинство коммерчески доступных лазеров CO2 излучают стандартную длину волны 10,6 μм, но существуют также устройства, специально оптимизированные для других длин волн (например, 10,25 μм или 9,3 μм), которые более подходят для определенных приложений, таких как лазерная обработка материалов, поскольку они легче поглощаются при облучении определенных материалов (например, полимеров). При производстве таких лазеров и их использовании для освещения могут потребоваться специальные оптические компоненты, так как стандартные трансмиссионные оптические компоненты для 10,6 μм могут иметь чрезмерно сильные отражения.

Выходная мощность и эффективность:

В большинстве случаев средняя выходная мощность составляет от десятков ватт до нескольких киловатт. КПД преобразования энергии составляет примерно 10%-20%, что выше, чем у большинства газовых лазеров и лазеров на твердых телах с накачкой лампами, но ниже, чем у многих лазеров с диодной накачкой. Из-за высокой выходной мощности и длинной длины волны излучения CO2-лазеры требуют качественных инфракрасных оптических компонентов, которые обычно изготавливаются из материалов, таких как цинк селен (ZnSe) или цинк сульфид (ZnS). CO2-лазеры обладают высокой мощностью и высоким рабочим напряжением, что создает серьезные проблемы безопасности лазерного оборудования. Однако из-за длинной рабочей длины волны, он относительно безопасен для человеческого глаза при низких интенсивностях.

Типы CO2-лазеров:

Для мощности лазера, находящейся в диапазоне от нескольких ватт до нескольких сотен ватт, обычно используются герметичные трубки или лазеры без потока газа, где как лазерная полость, так и подача газа находятся внутри герметичной трубки. Отвод тепла осуществляется через диффузию к стенке трубки (в основном благодаря эффекту гелия) или медленному потоку газа. Этот тип лазера компактен, прочен и долговечен, его рабочий ресурс может легко достигать тысяч часов или даже больше. На этом этапе необходимо применять метод непрерывной регенерации газа, особенно путем каталитического окисления угарного газа для компенсации диссоциации углекислого газа. Качество луча может быть очень высоким. Высокомощные диффузионно охлаждаемые пластинчатые лазеры помещают газ в зазор между парой плоских водяных RF-электродов. Если расстояние между электродами меньше ширины электрода, избыточное тепло будет эффективно передаваться на электроды через диффузию. Для эффективного извлечения энергии обычно используется неустойчивый резонатор, а выходное купирование производится на стороне высокоотражающего зеркала. При разумном качестве луча можно достичь выходной мощности в несколько киловатт. Быстрые осевые поточные лазеры и быстрые поперечные поточные лазеры также подходят для непрерывного выхода мощности в несколько киловатт с высоким качеством луча. Избыточное тепло удаляется быстро текущей смесью газов, которая затем повторно используется для разряда после прохождения через внешний охладитель (теплообменник). Смесь газов может непрерывно регенерироваться и периодически заменяться. Поперечные поточные лазеры могут обеспечивать наибольшую выходную мощность, но качество луча обычно низкое.

Давление в лазере с поперечной атмосферной подачей очень высокое (примерно одна атмосфера). Поскольку напряжение, необходимое для продольного разряда, слишком велико, для поперечной подачи необходимо использовать ряд электродов внутри трубки. Этот лазер работает только в импульсном режиме, так как газовый разряд нестабилен при высоком напряжении. Их средняя выходная мощность обычно составляет менее 100 ватт, но они также могут достигать десятков киловатт (в сочетании с высокой частотой повторения импульсов).
Твердотельные лазеры — это лазеры на основе твердых активных сред (например, кристаллов или стекол, легированных ионами редкоземельных или переходных металлов), которые могут вырабатывать мощность от нескольких милливатт до нескольких киловатт. Многие твердотельные лазеры используют вспышковые лампы или дуговые лампы для светового накачивания. Эти источники накачки относительно недороги и могут обеспечивать очень высокую мощность, но их эффективность довольно низкая, срок службы средний, а также наблюдаются сильные тепловые эффекты в активной среде, такие как термический линзовый эффект. Лазерные диоды чаще всего используются для накачки твердотельных лазеров, и эти диодно-накачиваемые твердотельные лазеры (DPSS-лазеры, также известные как полностью твердотельные лазеры) обладают многими преимуществами, такими как компактная установка, длительный срок службы и превосходное качество пучка. Их режим работы может быть непрерывным, то есть они могут генерировать непрерывный лазерный выход, или импульсным, то есть производить короткие высокомощные лазерные импульсы.

Лазеры на углекислом газе, обладая уникальными преимуществами длины волны и широкой адаптацией к материалам, продемонстрировали незаменимую стратегическую ценность в глобальной промышленной обработке, медицинской эстетике и новых источниках энергии. Несмотря на конкурентное давление со стороны волоконных лазеров в области обработки металлов, технология лазеров на углекислом газе по-прежнему сохраняет свои основные конкурентные преимущества и широкое пространство для инноваций в специализированных областях, таких как обработка неметаллических материалов, высокоточное удаление краски и глубокая дерматологическая терапия.

Для компании Jiangpin Technology необходимо воспользоваться историческими возможностями, представленными модернизацией промышленности Китая и глобальным энергетическим переходом, сосредоточившись на трех ключевых направлениях: достижение прорывов в стабильности высокой мощности (например, решение проблемы "температур температурной кварцировки"), разработка специализированных сценариев (обработка оборудования для новой энергетики) и создание индивидуальных решений для малых и средних предприятий. Путем создания системы совместных инноваций "промышленность-университет-наука-применение" и интеграции в региональную экосистему промышленного кластера, ожидается, что Jiangpin Technology сможет осуществить стратегическую трансформацию от технологического последователя к лидеру инноваций в период технологической революции и реконструкции рынка углекислых газовых лазеров.