Kohlendioxidlaser
Der Kohlendioxidlaser, oft auch als CO2-Laser bezeichnet, wird in der Materialbearbeitung zum Schneiden oder Schweißen von Metallen eingesetzt. Obwohl sein Spektralbereich stark vom Metall reflektiert wird und er sich damit auf den ersten Blick nicht für diese Aufgabe eignet, wird er in der Industrie aufgrund seines hohen Wirkungsgrades gerne verwendet.
Daten
- Verstärkung:
- kontinuierlich bis 100 kW
- gepulst bis 1013 W
- Wirkungsgrad:
- theoretisch max. 40%
- praktisch max. 15%
- Strahleigenschaften:
- Rohstrahldurchmesser 10-20 mm (leicht fokussierbar)
- Wellenlänge hauptsächlich bei 10,6 µm
Aufbau
300px|thumb|Funktionsprinzip eines CO2-Lasers
Wie man auf dem Bild erkennen kann, ist der Grundaufbau des CO2-Lasers denkbar einfach. Neben den drei - für die Funktion - wichtigen Gasen N2, CO2 und He befindet sich noch etwas H2 und H2O in dem Lasersystem. - Diese beiden Gase entstehen durch den Zerfall der Moleküle und halten das Auflösen eben dieser etwas auf. Ist das Rohrsystem des Lasers mit den Gasen befüllt, werden diese über ein Pumpsystem umgewälzt. Der Grund hierfür liegt zum einen in der Kühlung um so den Molekülzerfall ebenfalls zu verlangsamen, zum anderen wird den angeregten CO2 Molekülen so mehr Zeit gegeben, wieder in den Grundzustand zu gelangen (siehe Funktion). Erreicht das Gas den eigentlichen Laser, wird es von umherfliegenden Elektronen angeregt und emittiert Licht, welches wie im Artikel "Laser" beschrieben, anfängt zwischen den Spiegeln hin und her zu wandern und sich dabei zu verstärken, bis es schließlich den halbdurchlässigen Spiegel als Laserstrahl verlässt.
Bei CO2-Lasern ist diese eben beschriebene Einheit mehrmals hintereinander geschaltet. Insgesamt kommt man auf eine Länge von 10 m. Diese wird durch Umlenkspiegel aus Kupfer etwas reduziert und macht den Laser leichter transportierbar.
Funktion
300px|thumb| Energieniveau-Schema eines CO2-Lasers mit relevanten Freiheitsgraden der Moleküle.
-Quelle: selbst entworfen (Jan. 2005)
-Autor: wisem
Durch die Elektrode werden Elektronen in den Resonator geschossen und am anderen Ende wieder "aufgenommen". Bei ihrem Weg durch den Laser treffen sie dabei auf N2-Moleküle. Diese lassen sich besonders leicht zum schwingen anregen. An dieser Stelle ist zu betonen, dass es sich hierbei um eine wirkliche kinetische Schwingung und keine Anregung der Elektronen im Molekül handelt, wie bei anderen Lasern üblich.
Sind die N2-Moleküle angeregt können sie nur mit zwei diskreten Amplituden schwingen (v und 2v). In diesem angeregten Zustand können die N2-Moleküle sehr lange (1ms) bleiben und es besteht somit eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sie mit CO2-Molekülen kollidieren und diese anregen in einem der drei Freiheitsgrade zu schwingen. Natürlich gibt es noch mehr Möglichkeiten wie die Moleküle schwingen können, doch diese sind für die Funktion des Lasers nicht von Bedeutung. Des Weiteren sei hier erwähnt, dass die Moleküle welche auf 2v3 angeregt wurden erst durch spontanen Energieverlust um eine Energiestufe fallen müssen, bevor sie ein Photon abgeben können.
Haben die Moleküle ihre kinetische Energie bis v3 verloren, sind sie nun in der Lage von diesem metastabilen Zustand aus in die Zustände 2v2 und v1 zu fallen und dabei Photonen in den bezeichneten Wellenlängen zu emittieren. Wobei es wahrscheinlicher ist, dass die Moleküle den v3 -> v1 Übergang wählen. - Deswegen spricht man auch bei der Wellenlänge ausschließlich von 10,6µm obwohl die Strahlung nicht rein monochromatisch ist. Nach diesem Vorgang fallen die CO2-Moleküle wieder in einen metastabilen Zustand. Durch den einen Zusammenstoß mit Helium-Molekülen geben sie ihre kinetische Energie an diese ab und fallen wieder in den Grundzustand. Dies ist der große Vorteil des CO2-Lasers gegenüber dem Helium-Neon-Laser, bei dem die angeregten Moleküle mit der Wand kollidieren müssen, um in den Grundzustand zu gelangen. Hier ist dies nicht der Fall, weswegen man größere Resonatordurchmesser erreichen kann und so den Wirkungsgrad massiv erhöht.