Láseres de CO2: funcionalidad y áreas de aplicación

El láser de CO₂, menos conocido como láser de dióxido de carbono, pertenece al grupo de láseres de gas. El láser de CO₂ emite en el infrarrojo medio, entre una longitud de onda de ~ 9µm a ~ 11µm, la línea de emisión más fuerte suele ser de 10,6µm (más raramente de 9,3µm o 10,2 µm). Junto con los láseres de fibra/Nd:YAG, el láser de CO₂ forma la columna vertebral de la tecnología láser industrial. Puede entregar potencias de salida promedio muy altas, de hasta 80 kW, y energías de pulso de hasta 100 kJ. Como los láseres de CO₂ tienen una eficiencia relativamente alta entre los láseres de gas, de hasta un 15%, y son baratos, se utilizan en la metalúrgica industrial, así como para cortar y marcar piezas orgánicas. El láser de CO₂ existe desde 1964 y fue diseñado y desarrollado por Kumar N. Patel en los Laboratorios Bell (Estados Unidos).

La llamada excitación es fundamental para el funcionamiento de la fuente láser. Para los láseres de CO₂ pulsado, esto se hace irradiando ondas electromagnéticas con una frecuencia en el rango de decenas de MHz en una mezcla gaseosa de CO₂, N2 (nitrógeno) y He (helio) por medio de antenas. Los láseres de CO₂ de emisión continua pueden ser excitados por un alto voltaje de hasta aproximadamente 20.000 V y la descarga incandescente resultante. 

La excitación finalmente asegura que las moléculas de CO₂ sean llevadas a un nivel de energía más alto. La mayor energía se almacena en el resonador en forma de rotación o vibración de las moléculas de CO₂. Si un fotón de longitud de onda adecuada (infrarrojo medio) golpea entonces una molécula de CO₂ excitada, se produce la llamada "emisión estimulada"', es decir, la energía almacenada en rotación o vibración se emite como un fotón. El fotón incidente ha producido, así, un "fotón gemelo" y ha reducido la energía de la molécula de CO₂ por la energía del fotón gemelo (como consecuencia directa de la conservación de energía). Si hay suficientes moléculas de CO₂ excitadas, el número de fotones generados por la emisión estimulada aumenta exponencialmente ("efecto avalancha").

El rayo láser generado es dirigido por espejos en dirección a la pieza que debe ser procesada. El rayo láser se enfoca en un cabezal de corte, que se coloca directamente sobre la pieza de trabajo. Si el láser incide en el cabezal de corte con un diámetro de aproximadamente 20 mm, se enfoca allí por medio de una lente convergente, por ejemplo, hasta un diámetro de 0,1 mm en el plano focal. También suele suministrarse gas en el cabezal de corte o cerca del punto de la pieza de trabajo donde incide el rayo láser. Oxígeno para el corte con llama: o sea, la oxidación de la pieza de trabajo mediante adición de oxígeno, facilita el proceso de corte. Mientras tanto, el gas inerte (a menudo nitrógeno o argón) debe minimizar los procesos de oxidación tanto como sea posible.

En el punto focal, es decir, precisamente el punto de la pieza de trabajo donde el rayo láser se enfoca, se generan temperaturas durante cada (!) proceso de corte o grabado que superan la temperatura de vaporización del material respectivo. La vaporización provoca un grabado o la entalladura. 

Actualmente, hay varios diseños de láser de CO₂, que a veces coinciden en términos de construcción. Los tipos más comunes incluyen los láseres de flujo longitudinal y flujo transversal, el láser sellado, el láser de guía de onda y el láser TEA.

Láseres de flujo longitudinal y flujo transversal

Este diseño es comparativamente simple y a menudo se usa con láseres de alto rendimiento. En los láseres de flujo longitudinal y transversal, un gas de láser es aspirado continuamente a través de un tubo de descarga por medio de una bomba de vacío. A través de una descarga de corriente continua, una porción del dióxido de carbono contenido en la mezcla de gases se divide en monóxido de carbono y oxígeno. Por medio de varias bombas en el sistema de tubos, la mezcla de gas circula continuamente, permitiendo una eliminación más eficiente de la pérdida de calor.

Láser sellado

En este diseño, la mezcla de gases no es reemplazada por una bomba, sino que se agrega hidrógeno, vapor de agua y oxígeno a la mezcla de gases. Estas mezclas aseguran que el monóxido de carbono resultante reaccione a través de un electrodo hecho de platino, y se convierta en dióxido de carbono. Por lo tanto, se regenera CO2 catalíticamente.

Láser de guía de onda

El láser de guía de onda, también conocido como láser slab, utiliza dos electrodos como guías de onda y tiene un resonador cuboidal. Como la sección transversal tiene una alta relación de aspecto (por ejemplo, altura / ancho 10:1), el resonador tiene un área superficial relativamente grande en comparación con el volumen. Esto permite la eliminación eficiente de la pérdida de calor.

Láser TEA

El "láser de presión atmosférica excitado transversalmente", TEA ("transversely excited atmospheric pressure laser") para abreviar, se usa siempre que se requieren altas presiones de gas de hasta un bar con duraciones de pulso de hasta 100 ns. En este diseño, el voltaje de descarga se aplica en pulsos cortos de menos de un microsegundo a través del flujo de gas. Esto evita los arcos.

Los láseres de CO₂ se utilizan en el rango de potencia de 10 a 400 W para cortar, perforar o grabar materiales orgánicos finos como madera, textiles o plásticos. Se puede lograr una calidad de corte muy alta cortando PMMA (“acrílico”, “plexiglás”): cuando se procesan correctamente, los bordes de corte son tan transparentes como todas las demás superficies de la pieza de trabajo.

Los láseres de CO₂ de mayor potencia, entre 1 y 6 kW, son láseres industriales típicos utilizados para soldar, templar o refundir metales. En la producción moderna los láseres de CO₂ se utilizan cada vez más para el corte láser sin óxido. En particular, las máquinas de corte láser se utilizan en el procesamiento de pequeños lotes de chapas metálicas. Sin embargo, para grandes cantidades, el punzonado sigue siendo la opción más económica. 

El láser de CO₂ se utiliza en una amplia variedad de industrias. A la vanguardia está la industria automotriz, donde los láseres se utilizan para perforar el punto de ruptura en el tablero de instrumentos para los airbags. Las vestiduras o paneles laterales también se fabrican usando láseres de CO₂. Incluso en la industria de la confección existe una variedad de aplicaciones para el láser de CO₂. Desde telas hasta el texturizado de jeans, el láser es una alternativa ecológica a los procesos químicos y abrasivos. 

Un mercado a prueba de futuro para el láser de CO₂ es el corte de plásticos reforzados con fibra como GRP y CRP. En las industrias automotriz, de aviación o de energía eólica se utilizan plásticos reforzados con fibra como parte de la respuesta a cuestiones importantes de la época, como la sostenibilidad, la eficiencia de los recursos o la protección del clima.