Углекислотный CO2 лазер: как работает и зачем нужен

Углекислотный лазер - один из самых мощных и КПД-эффективных газовых лазеров: именно он режет металл на производстве, гравирует фанеру и работает скальпелем в хирургии. Его излучение лежит в среднем инфракрасном диапазоне на длине волны около 10,6 мкм, а активной средой служит обычный углекислый газ в смеси с азотом и гелием. Ниже разберём, какие уровни молекулы CO2 дают это излучение, при чём здесь азот, почему длина волны именно такая и как из паспортных цифр прибора прикинуть мощность луча и поток фотонов. Сначала соберите свою задачу в калькуляторе - он сразу посчитает выходную мощность и энергию фотона.

Что такое углекислотный лазер

Углекислотный, или CO2 лазер - это газовый лазер, у которого рабочее вещество (активная среда) представляет собой смесь трёх газов: углекислого газа CO2, азота N2 и гелия He. Излучение генерируют молекулы CO2, а азот и гелий играют вспомогательные, но критически важные роли. Прибор изобрёл Кумар Пател в 1964 году, и с тех пор CO2 лазер остаётся рабочей лошадкой промышленной фотоники.

Главное отличие от твердотельных и полупроводниковых лазеров в том, что излучательный переход идёт не между электронными уровнями, а между колебательными уровнями молекулы. Энергии колебаний малы, поэтому и длина волны велика - 10,6 мкм, в десятки раз больше, чем у видимого света. Это сразу определяет и оптику (зеркала и линзы делают не из стекла, а из меди, германия и селенида цинка), и характер взаимодействия с веществом.

Принцип работы: колебательные уровни CO2

Молекула CO2 линейна и имеет три типа колебаний (нормальные моды): симметричное валентное, деформационное (изгибное) и асимметричное валентное. Каждой моде соответствует своя лесенка колебательных уровней. Верхним лазерным уровнем служит первый возбуждённый уровень асимметричной моды, а нижними - уровни симметричной и деформационной мод.

Когда молекула переходит с верхнего уровня на нижний, она излучает фотон. Из-за небольшой разницы в энергиях между разными нижними уровнями CO2 лазер даёт две близкие линии: основную на 10,6 мкм и более слабую на 9,6 мкм. Длину волны главной линии связывает с энергией перехода обычное соотношение Планка:

$$E = \frac{hc}{\lambda},$$

где $h$ - постоянная Планка, $c$ - скорость света, $\lambda$ - длина волны. Для $\lambda = 10{,}6$ мкм энергия фотона выходит порядка $0{,}12$ эВ - почти в двадцать раз меньше, чем у фотона зелёного света. Именно эта малость энергии фотона и делает излучение «тепловым» по характеру воздействия.

Роль азота и гелия

Сама по себе молекула CO2 возбуждается разрядом не очень эффективно. Здесь и вступает азот. Электронный разряд в газе хорошо возбуждает колебания молекул N2, причём её колебательный уровень почти точно совпадает по энергии с верхним лазерным уровнем CO2. При столкновениях азот резонансно передаёт свою энергию молекулам углекислого газа, заселяя верхний уровень. Этот механизм похож на накачку в квантово-каскадном лазере, только там энергию переносят электроны внутри полупроводника, а здесь - столкновения молекул газа.

Рассчитать для своей задачи

Гелий решает обратную задачу - он быстро опустошает нижние уровни CO2. Чтобы поддерживать инверсию населённостей, нужно, чтобы нижний лазерный уровень не накапливал молекулы. Лёгкий и теплопроводный гелий за счёт столкновений сбрасывает молекулы с нижних уровней в основное состояние и заодно отводит тепло из разрядной зоны. Без гелия лазер быстро «захлёбывается»: нижний уровень заполняется, и инверсия исчезает.

Инверсия населённостей и резонатор

Как и в любом лазере, для генерации нужны три условия: активная среда, накачка и обратная связь. Инверсия населённостей (когда на верхнем уровне молекул больше, чем на нижнем) создаётся связкой «разряд → азот → CO2 → гелий». Обратную связь даёт оптический резонатор - два зеркала по торцам газоразрядной трубки. Одно зеркало полностью отражающее, второе - частично прозрачное (через него выходит луч).

В мощных промышленных лазерах газовую смесь прокачивают через резонатор и непрерывно охлаждают - это «лазеры с быстрой прокачкой газа». В маломощных гравировальных установках трубка запаяна, а смесь обновляется медленно. Управление продольными модами и длительностью импульсов - отдельная тема, близкая к синхронизации мод лазера; в CO2-системах чаще используют простую модуляцию добротности.

Почему именно 10,6 мкм важны

Длина волны 10,6 мкм - это не просто технический параметр, а ключ к областям применения. Излучение среднего ИК сильно поглощается водой, органикой, многими полимерами и оксидными плёнками на металлах. Энергия фотона мала, поэтому воздействие не «вырывает» электроны, а разогревает вещество - это фототермический эффект, а не фотохимический.

Рассчитать для своей задачи

Отсюда три больших класса задач. В промышленности сфокусированный луч плавит и испаряет материал - так режут сталь, акрил, дерево, ткань. В полиграфии и сувенирном деле менее мощный луч гравирует поверхность. В медицине вода в мягких тканях мгновенно поглощает излучение, и луч работает как бескровный скальпель, одновременно прижигая сосуды. Калькулятор выше показывает, как из выходной мощности и толщины листа получается грубая оценка скорости реза.

КПД и энергетика луча

Углекислотный лазер выделяется среди газовых лазеров высоким КПД «от розетки» - обычно 10–20 %, у лучших промышленных моделей до 30 %. Это означает, что заметная доля потреблённой электрической мощности превращается в оптическую:

$$P_\text{вых} = \eta \cdot P_\text{вход},$$

где $\eta$ - КПД, $P_\text{вход}$ - потребляемая мощность. Зная выходную мощность $P$ и энергию одного фотона $E = hc/\lambda$, легко найти поток фотонов в секунду:

$$N = \frac{P}{E} = \frac{P \lambda}{hc}.$$

Для луча мощностью 100 Вт на 10,6 мкм это около $5{,}3 \cdot 10^{21}$ фотонов в секунду - огромное число, потому что каждый фотон несёт совсем мало энергии. Эти же формулы спрятаны в калькуляторе статьи: подвигайте ползунки мощности и КПД, чтобы увидеть, как меняются мощность луча и поток фотонов.

Конструкции CO2 лазеров

За полвека сложилось несколько схем. Лазеры с продольной прокачкой газа - классическая длинная стеклянная трубка, простая и дешёвая, мощность до сотен ватт. Лазеры с поперечной быстрой прокачкой и поперечным разрядом дают киловатты при компактных размерах. Отдельная ветвь - щелевые (slab) лазеры, где разряд идёт в узком зазоре между двумя электродами-волноводами; они компактны и хорошо охлаждаются. Накачку всё чаще ведут не постоянным током, а высокочастотным полем - это продлевает срок службы электродов.

Частые ошибки

• «CO2 лазер излучает видимый свет». Нет, его излучение невидимо для глаза - это средний ИК (10,6 мкм). Видимым бывает только слабый пилот-луч другого лазера, встроенный для наведения.
• «Излучают атомы углекислого газа». Излучают не атомы, а молекулы CO2 целиком, и переход идёт между колебательными, а не электронными уровнями.
• «Азот в смеси просто разбавитель». Наоборот, азот - главный посредник накачки: он принимает энергию разряда и резонансно передаёт её углекислому газу.
• «Можно сфокусировать обычной стеклянной линзой». Стекло непрозрачно на 10,6 мкм. Оптику делают из ZnSe, германия, меди - иначе линза просто нагреется и треснет.
• «КПД CO2 лазера такой же низкий, как у других газовых». Нет, по КПД «от розетки» он один из лучших среди газовых лазеров - до 20–30 %.

FAQ

Чем CO2 лазер отличается от волоконного? Волоконный лазер излучает в ближнем ИК (около 1 мкм), которое лучше поглощается металлами и хуже - органикой и стеклом. CO2 лазер на 10,6 мкм, наоборот, отлично режет неметаллы (акрил, дерево, ткань) и используется в хирургии. Для тонкого металла сегодня чаще берут волоконный, для неметаллов - углекислотный.

Почему у CO2 лазера такой высокий КПД? Потому что энергия идёт по короткой и эффективной цепочке: разряд возбуждает колебания азота, азот резонансно отдаёт энергию CO2, а гелий быстро освобождает нижний уровень и отводит тепло. Мало паразитных потерь на промежуточных переходах.

Опасен ли луч CO2 лазера для глаз? Да, и особенно коварно: он невидим, а на 10,6 мкм сильно поглощается роговицей и тканями глаза, вызывая ожог. Поэтому с CO2 лазерами работают в защитных очках, рассчитанных именно на этот диапазон.

Коротко

Углекислотный CO2 лазер - газовый лазер на колебательных уровнях молекулы CO2, излучающий в среднем ИК на длине волны 10,6 мкм. Накачка идёт через азот, который резонансно передаёт энергию разряда углекислому газу, а гелий опустошает нижний уровень и охлаждает смесь. Энергия фотона мала (около 0,12 эВ), поэтому воздействие тепловое, а КПД «от розетки» высокий - до 20–30 %. Длина волны 10,6 мкм определяет применение: резка и гравировка неметаллов, обработка металлов и бескровная хирургия мягких тканей.