CO2-lasers - functionaliteit en toepassingsgebieden

De CO2-laser, minder vaak aangeduid als kooldioxidelaser, behoort tot de groep van de gaslaser. De CO2-laser zendt uit in het midden van de atmosfeer tussen ~9µm en ~11µm golflengte, de sterkste emissielijn is vaak 10,6µm (meer zelden op 9,3µm of 10,2µm). Samen met Nd:YAG/vezellasers vormt de CO2-laser de ruggengraat van de industriële lasertechnologie. Hij kan zeer hoge gemiddelde uitgangsvermogens leveren tot 80 kW en pulsenergieën tot 100 kJ. Omdat CO2-lasers een relatief hoog rendement hebben voor gaslasers tot 15% en goedkoop in aanschaf zijn, worden ze gebruikt in de industriële metaalbewerking en voor het lasersnijden en markeren van organische werkstukken. De CO2-laser bestaat sinds 1964 en is bedacht en ontwikkeld door Kumar N. Patel van Bell Laboratories (USA).

De zogenaamde excitatie is fundamenteel voor de functie van de laserbron. Bij gepulste CO2-lasers gebeurt dit door elektromagnetische golven met een frequentie in het tientallen megahertz bereik met behulp van antennes in het gasmengsel van CO2, N2 (stikstof) en He (helium) te bestralen. Continu uitzendende CO2-lasers kunnen worden opgewekt door hoogspanning tot ongeveer 20.000 volt en de daaruit voortvloeiende gloeiontlading.

De excitatie zorgt er uiteindelijk voor dat CO2-moleculen op een hoger energieniveau worden gebracht. De hogere energie wordt opgeslagen in de resonator in de vorm van rotatie of trilling van de CO2-moleculen. Als een foton met een geschikte golflengte (mid-infrarood) nu een aangeslagen CO2-molecuul raakt, vindt er zogenaamde "gestimuleerde emissie" plaats, d.w.z. dat de energie die in de rotatie of trilling is opgeslagen, als een foton wordt uitgestoten. Het invallende foton heeft dus een "tweelingfoton" geproduceerd en de energie van het CO2-molecuul gereduceerd door de energie van het tweelingfoton (als direct gevolg van energiebesparing). Als er voldoende aangeslagen CO2-moleculen zijn, neemt het aantal fotonen dat door de gestimuleerde emissie wordt opgewekt exponentieel toe ("lawine-effect").

De gegenereerde laserstraal wordt door spiegels in de richting van het te bewerken werkstuk gericht. De laserstraal wordt gefocust in een snijkop, die direct boven het werkstuk wordt gepositioneerd. Als de laser de snijkop met een diameter van ongeveer 20 mm raakt, wordt deze daar door middel van een convergerende lens gefocust, bijv. tot een diameter van 0,1 mm in het brandvlak. In de snijkop of in de buurt van het punt waar de laserstraal het werkstuk raakt, wordt vaak ook gas toegevoerd. Zuurstof voor het snijden met vlammen - d.w.z. de oxidatie van het werkstuk door toevoeging van zuurstof ondersteunt het snijproces. Inert gas (vaak stikstof of argon) moet echter het oxidatieproces zoveel mogelijk beperken.

In het brandpunt, d.w.z. precies daar waar de laserstraal op het werkstuk is gericht, ontstaan tijdens elk (!) snij- of graveerproces temperaturen die boven de verdampingstemperatuur van het betreffende materiaal liggen. De verdamping veroorzaakt dan een gravure of de zaagsnede.

Momenteel zijn er verschillende ontwerpen van CO2-lasers, die elkaar soms overlappen wat betreft de constructie. De meest voorkomende types zijn de longitudinale- en transversale flowlaser, de verzegelde laser, de golfgeleiderlaser en de TEA-laser.

Langsstromings- en dwarsstromingslasers

Dit ontwerp is relatief eenvoudig en wordt vaak gebruikt met hoogrendementslasers. Bij longitudinale en transversale lasers wordt een lasergas door middel van een vacuümpomp continu opgezogen door een ontladingsbuis. Door een gelijkstroomontlading wordt een deel van het in het gasmengsel aanwezige kooldioxide gesplitst in koolmonoxide en zuurstof. Door middel van verschillende pompen in het buizensysteem wordt het gasmengsel continu gecirculeerd, waardoor warmteverlies efficiënter kan worden afgevoerd.

Afgedichte laser

In dit ontwerp wordt het gasmengsel niet vervangen door een pomp, maar worden waterstof, waterdamp en zuurstof aan het gasmengsel toegevoegd. Deze toevoegingen zorgen ervoor dat het resulterende koolmonoxide via een elektrode van platina reageert op kooldioxide. CO2 wordt dus katalytisch geregenereerd.

Golfgeleiderlaser

De golfgeleiderlaser, ook wel bekend als een plaatlaser, gebruikt twee elektroden als golfgeleiders en heeft een resonator die kubusvormig is. Omdat de doorsnede een hoge beeldverhouding heeft (bijv. hoogte en breedte 10:1) heeft de resonator een relatief groot oppervlak in vergelijking met het volume. Dit maakt een efficiënte verwijdering van warmteverlies mogelijk.

TEA-laser

De "transversaal opgewekte atmosferische druklaser", kortweg TEA, wordt altijd gebruikt wanneer hoge gasdrukken tot één bar nodig zijn met een pulsduur tot 100 ns. In dit ontwerp wordt de ontlaadspanning in korte pulsen van minder dan een microseconde over de gasstroom aangebracht. Dit voorkomt vonkvorming.

CO2-lasers worden gebruikt in het vermogensbereik van 10 tot 400 watt voor het lasersnijden of lasergraveren van dunne, organische materialen zoals hout, textiel of kunststoffen. Zeer hoge snijkwaliteit kan worden bereikt door het lasersnijden van PMMA ("acryl", "Plexiglas") - bij een juiste bewerking zijn de snijkanten net zo transparant als alle andere oppervlakken van het werkstuk.

CO2-lasers met een verhoogd vermogen tussen 1 en 6 kilowatt zijn typische industriële lasers die gebruikt worden voor het lassen, harden of hersmelten van metalen. In de moderne productie worden CO2-lasers steeds vaker gebruikt voor het oxidevrij lasersnijden met laser. In het bijzonder worden de lasersnijmachines gebruikt voor kleine series in de plaatbewerking. Bij grotere hoeveelheden is ponsen echter nog steeds de voordeligste optie.

De CO2-laser wordt in de meest uiteenlopende industrieën gebruikt. Voorop staat de automobielindustrie, waar lasers worden gebruikt om het breekpunt in het dashboard voor airbags te perforeren. Ook headliners of zijpanelen worden met behulp van CO2-lasers vervaardigd. Zelfs in de kledingindustrie zijn er verschillende toepassingen voor de CO2-laser. Van stofafmetingen tot het structureren van jeans, de laser is een milieuvriendelijk alternatief voor chemische en schurende processen.

Een toekomstbestendige markt voor de CO2-laser is het snijden van vezelversterkte kunststoffen zoals GFK en CRP. Hier is het de automobiel-, luchtvaart- of windenergie-industrie, waar vezelversterkte kunststoffen worden gebruikt als onderdeel van het antwoord op belangrijke kwesties van deze tijd, zoals duurzaamheid, efficiënt gebruik van hulpbronnen of bescherming van het klimaat.