Kohlendioxidlaser

Ein Kohlendioxidlaser, CO₂-Laser oder Kohlenstoffdioxidlaser ist eine Bauform eines Lasers aus der Gruppe der Gaslaser und Infrarotlaser im mittleren Infrarot. Sein Lasermedium ist Kohlenstoffdioxid mit einem 4-Niveau-System. Er zählt neben den Festkörperlasern zu den am häufigsten und leistungsstärksten industriell eingesetzten Lasern. Es können Ausgangleistungen von bis zu 80 kW und Pulsenergien bis 100 kJ erreicht werden.^[1] CO₂-Laser sind relativ effizient und kostengünstig, weswegen sie besonders in der industriellen Materialbearbeitung eingesetzt werden. Der Wirkungsgrad liegt bei etwa 15 bis 20 %.^[1] Er wurde 1964 von C. Kumar N. Patel bei den Bell Laboratories entwickelt.

Bauformen

Es existieren mehrere mögliche Bauformen von Kohlendioxidlasern, die sich teilweise jedoch überschneiden.

Längs- und Quergeströmt

Funktionsprinzip eines längsgeströmten Kohlendioxidlasers

Der Grundaufbau eines langsam längsgeströmten Lasers ist vergleichsweise einfach. Das Lasergas, ein Gemisch aus den drei Gasen Stickstoff, Kohlendioxid und Helium, wird kontinuierlich mittels einer Vakuumpumpe durch die Entladungsrohre gesaugt. Gepumpt wird diese Bauform durch Gleichstrom, wobei Wasserstoff, Wasserdampf und Kohlenstoffmonoxid entstehen, was der Grund für die kontinuierliche Erneuerung des Gases ist. Die Kühlung erfolgt durch Wärmeleitung an den mit Wasser gekühlten Rohren.

Das im Rohrsystem schnell längsgeströmter Laser eingefüllte Gasgemisch wird zwecks Gasaustausch und Kühlung mit einer weiteren Pumpe (Drehkolbenpumpe oder Turboverdichter) umgewälzt. Damit wird den angeregten Kohlendioxidmolekülen mehr Zeit gegeben, wieder in den Grundzustand zu gelangen. Schnell geströmte Laser haben einen separaten Kühler (Wärmeübertrager) im Gasstrom, die Entladungsrohre sind ungekühlt.

Bei sehr großen Leistungen sind Entladungen und Gasströmung quer zur Strahlrichtung angeordnet, sodass ein besonders schneller Gasaustausch möglich ist. Damit sinken jedoch Wirkungsgrad und Strahlqualität.

Abgeschlossen

Bei dieser Bauform wird das Gasgemisch nicht durch eine mechanische Pumpe ausgetauscht, sondern es werden Wasserstoff und Sauerstoff zu dem Gasgemisch hinzugegeben, die dafür sorgen, dass diese mit dem beim optischen Pumpen entstehenden Kohlenmonoxid an einer Platinelektrode wieder zu Kohlendioxid reagieren.

Anstelle eines Rohrsystems werden hier auch Wellenleiter benutzt.

Slab

Bei dieser als Slablaser bezeichneten Bauart werden zwei Elektroden als Wellenleiter benutzt. Gepumpt wird das Gasgemisch mittels Hochfrequenz. Diese Laser haben einen instabilen Resonator, eine hohe Strahlqualität wird durch Strahlformung erzeugt. Slab-Laser sind meist abgeschlossen, es existieren jedoch auch Varianten, bei denne das Gasgemisch getauscht werden muss.

TEA

TEA steht für transversal excited atmospheric pressure (transversal angeregter Atmosphärendruck). Längsgeströmte Laser können nicht bei einem Gasdruck über 1 mbar betrieben werden, da sich sonst Lichtbogen bilden würden. Um dieses Problem zu umgehen, kann die Entladunsgspannung in Pulsen kürzer als eine µs transversal zum Gasfluss angelegt werden. Dadurch werden Gasdrücke bis zu einem Bar möglich. Dabei werden Pulsdauern im der Größenordnugn von 100 ns erreicht.

Funktion

Energieniveauschema eines CO₂-Lasers mit relevanten Freiheitsgraden der Moleküle

Die N₂-Moleküle werden im Resonator durch eine DC- oder HF-Glimmentladung angeregt. Die N₂-Moleküle lassen sich besonders leicht zum Schwingen anregen. Hierbei handelt es sich um eine tatsächliche kinetische Schwingung und keine Anregung der Elektronen der Atome, wie bei anderen Festkörperlaser. Elektronenanregung und Ionisation finden ebenfalls statt, sind aber für den Anregungsprozess der CO₂-Moleküle nicht relevant.

Sind die N₂-Moleküle angeregt, können sie nur mit zwei diskreten Amplituden schwingen (ν und 2 ν). In diesem angeregten Zustand können die N₂-Moleküle sehr lange (Größenordnung: 1 ms) bleiben und es besteht somit eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sie durch Stöße zweiter Art mit CO₂-Molekülen diese anregen, in einem ihrer 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 2 ν₃ angeregt wurden, erst durch spontanen Energieverlust um eine Energiestufe fallen müssen, bevor sie ein Photon abgeben können.

Haben die CO₂-Moleküle ihre kinetische Energie bis ν₃ verloren, sind sie in der Lage, von diesem metastabilen Zustand aus in die Zustände 2 ν₂ und ν₁ zu fallen und dabei Photonen in den bezeichneten Wellenlängen zu emittieren. Es ist wahrscheinlicher, dass die Moleküle den Übergang ν₃ → ν₁ wählen. Daher wird ausschließlich die Wellenlänge um 10,6 µm emittiert, obwohl die Verstärkungsbandbreite größer ist. Nach diesem Vorgang fallen die CO₂-Moleküle wieder in einen metastabilen Zustand. Durch den Zusammenstoß mit Helium-Atomen 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.

Verwendungsgebiete

Im Bereich von 10 Watt bis zu 200 Watt werden sie vor allem zum Schneiden, Gravieren und Perforieren von dünnem, organischem Material (Kunststoffe, Textilien, Holz und so weiter.) eingesetzt. Gepulste CO₂-Laser werden zum Ritzen und Trennen anorganischer Materialien (zum Beispiel Keramiksubstrate für Hybridschaltkreise) verwendet. In der Blechbearbeitung (Laserschneiden) werden typischerweise Strahlleistungen von ein bis sechs Kilowatt verwendet. Damit kann Baustahl bis etwa 35 Millimeter und Edelstahl bis etwa 25 Millimeter geschnitten werden. CO₂-Laser mit mehr als 6 kW werden hauptsächlich zum Schweißen, Härten und Umschmelzen eingesetzt und können auch zunehmend zum oxidfreien Laserschneiden bis 40 Millimeter verwendet werden. CO₂-Laser sind das Standardwerkzeug, wenn Blech individuell in kleinen Losgrößen geschnitten wird, bei großen Mengen ist das Stanzen günstiger.

Die Wellenlänge des CO₂-Lasers liegt mit 10,6 µm deutlich außerhalb des Transmissionsfensters hochleistungstauglicher Fasermaterialien wie z. B. Quarzglas. Deshalb kann – anders als bei Lasern für den sichtbaren oder nahinfraroten Spektralbereich – die Strahlung des CO₂-Lasers nicht in herkömmlichen Lichtwellenleiter auf Glasbasis geführt werden. Das Licht wird daher bislang traditionell mit Metallspiegeln zum Werkstück geführt. Als Alternative setzen sich mehr und mehr spezielle Lichtleitfasern auf Silberhalogenidbasis (PIR-Faser) durch. Die Fokussierung erfolgt mit Parabolspiegeln aus Metall oder Linsen aus einkristallinem Zinkselenid. Die Wellenlänge des CO₂-Lasers wird von den meisten Metallen stark reflektiert – damit eignet er sich auf den ersten Blick nicht für deren Bearbeitung. Sobald jedoch durch die teilweise Absorption des Lasers und dem darauf folgenden Materialabtrag (beispielsweise durch Verdampfen) an der Oberfläche des Metallwerkstücks eine Vertiefung in Form einer Kapillare entsteht, wird der Laserstrahl durch Mehrfachreflexion an den Kapillarwänden vollständig absorbiert. Zudem existiert eine Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und dem Metalldampf in der Kapillare durch den Effekt der Plasmaresonanz ^[2]. Dieser zunächst erforderliche Einstichvorgang ist aufgrund der hohen Rückreflexion und möglicherweise die Fokussieroptik erreichender Metallspritzer technologisch kritisch. Kupfer, Gold und andere Buntmetalle können mit dem CO₂-Laser nur schwer bearbeitet werden.

Die Wellenlänge des CO₂-Lasers wird von Glas hervorragend absorbiert, daher werden CO₂-Laser auch in der Glasbearbeitung eingesetzt, so zum Verschweißen von Halogenglühlampen, zum Gravieren von Trinkgläsern oder zum Anritzen von Ampullen in der Pharmaindustrie.

Bekannt ist auch ein auf laserinduzierten thermischen Spannungen beruhendes Trennverfahren für spröde Materialien (Glas, Keramik). Hierbei wird das Material mit CO₂-Lasern lokal erhitzt, jedoch nicht aufgeschmolzen.

Weiterführendes

• F. Kneubühl, M. Sigrist: Laser. 7. Auflage. Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8351-0145-6.
• CO₂-Laser, UK Aachen der RWTH Aachen
• CO₂-Laser, DocCheck Flexikon

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} F. Kneubühl, M. Sigrist: Laser. 7. Auflage. Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8351-0145-6, S. 229ff.
2. ↑ V. N. Anisimov, A. P. Kozolupenko, A. Yu Sebrant: Plasma transparency in laser absorption waves in metal capillaries. In: Soviet Journal of Quantum Electronics. 18, Nr. 12, November 1988, S. 1623–1624, doi:10.1070/QE1988v018n12ABEH012779.