Kohlendioxidlaser

Definition und Bedeutung

Ein Kohlenstoffdioxidlaser, kurz CO₂-Laser oder umgangssprachlich Kohlendioxidlaser, ist eine Laserklasse aus der Gruppe der Gas-, Molekül- und Infrarotlaser. Er arbeitet im mittleren Infrarot. Das Lasermedium, also der Stoff, in dem die Laserstrahlung erzeugt wird, ist Kohlenstoffdioxid (CO₂) mit einem 4-Niveau-System.

CO₂-Laser gehören neben Festkörperlasern zu den leistungsstärksten und am häufigsten industriell eingesetzten Lasern. Sie können Ausgangsleistungen bis zu 80 kW und Pulsenergien bis 100 kJ erreichen. Die erzeugte Infrarotstrahlung liegt in den Bändern von 9,6 und 10,6 µm, wobei im praktischen Betrieb vor allem eine Wellenlänge um 10,6 µm emittiert wird. Der Wirkungsgrad beträgt etwa 15 bis 20 %. CO₂-Laser sind damit vergleichsweise effizient und kostengünstig und werden besonders zur industriellen Materialbearbeitung eingesetzt.

Funktionsweise des Lasermediums

Das Lasermedium besteht in der Regel aus einem Gasgemisch aus CO₂, Stickstoff (N₂) und Helium (He). Die Anregung erfolgt im Resonator durch eine Gleichstrom- oder Hochfrequenz-Glimmentladung. Dabei werden vor allem die N₂-Moleküle angeregt. Sie beginnen tatsächlich kinetisch zu schwingen, genauer: Sie führen eine Valenzschwingung aus. Es handelt sich nicht um eine Anregung der Elektronen der Atome, wie sie bei Festkörperlasern wichtig ist. Elektronenanregung und Ionisation treten zwar ebenfalls auf, sind für die Anregung der CO₂-Moleküle aber nicht maßgeblich.

Angeregte N₂-Moleküle können mit zwei diskreten Amplituden schwingen, ν und 2ν. Da das N₂-Molekül kein permanentes Dipolmoment besitzt, sind optische Übergänge zwischen diesen Schwingungsniveaus unter Emission von Photonen verboten. Die Moleküle bleiben deshalb vergleichsweise lange angeregt, in der Größenordnung von 1 ms. Dadurch können sie mit hoher Wahrscheinlichkeit bei Stößen zweiter Art CO₂-Moleküle anregen. Die N₂-Moleküle wirken somit als Energiespeicher und übertragen ihre Energie auf eine der vier Normalschwingungen der CO₂-Moleküle.

CO₂-Moleküle, die auf das 2ν₃-Niveau angeregt wurden, müssen zunächst durch spontanen Energieverlust um eine Energiestufe fallen. Wenn sie anschließend ihre kinetische Energie bis zum ν₃-Niveau verloren haben, können sie aus diesem metastabilen Zustand in die Zustände 2ν₂ und ν₁ übergehen und dabei Photonen aussenden. Der Übergang ν₃ → ν₁ ist wahrscheinlicher. Deshalb wird im Wesentlichen die Wellenlänge um 10,6 µm emittiert, obwohl die Verstärkungsbandbreite größer ist.

Nach der Emission fallen die CO₂-Moleküle erneut in einen metastabilen Zustand. Durch Zusammenstöße mit Helium-Atomen übertragen sie ihre kinetische Energie auf das Helium und kehren in den Grundzustand zurück. Dadurch müssen die angeregten Moleküle nicht erst an der Wand des Resonators rekombinieren. Das ermöglicht größere Resonatordurchmesser und erhöht den Wirkungsgrad deutlich.

Bauformen und Gasführung

CO₂-Laser gibt es in mehreren Bauformen, die sich teilweise überschneiden. Dazu gehören längs- und quergeströmte Laser, Laser mit langsamer oder schneller Strömung, abgeschlossene Laser, Wellenleiter- beziehungsweise Slablaser, TEA-Laser, HF-angeregte Laser, gasdynamische Laser und abstimmbare Hochdrucklaser.

Bei einem langsam längsgeströmten Laser wird das Lasergas, ein Gemisch aus Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Helium, kontinuierlich mit einer Vakuumpumpe durch die Entladungsröhre gesaugt. Die Gleichstromentladung verläuft axial. Während der Entladung wird ein Teil des Kohlenstoffdioxids in Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff dissoziiert. Deshalb muss das Gasgemisch ständig zugeführt werden, da sonst nach einiger Zeit kein ausreichender Kohlenstoffdioxidanteil mehr vorhanden wäre. Die Kühlung erfolgt durch Wärmeleitung an wassergekühlten Rohren.

Bei schnell längsgeströmten Lasern wird das Gasgemisch mit einer zusätzlichen Pumpe, etwa einer Drehkolbenpumpe oder einem Turboverdichter, umgewälzt. Der Gasaustausch und die Kühlung werden dadurch beschleunigt. Angeregte CO₂-Moleküle erhalten mehr Zeit, in den Grundzustand zurückzukehren. Diese Laser besitzen einen getrennten Kühler beziehungsweise Wärmeübertrager im Gasstrom; die Entladungsrohre selbst sind ungekühlt. Bei sehr großen Leistungen können Entladung und Gasströmung quer zur Strahlrichtung angeordnet werden. Dadurch wird der Gasaustausch besonders schnell, allerdings sinken Wirkungsgrad und Strahlqualität.

Spezielle Laserkonstruktionen

Bei einem abgeschlossenen CO₂-Laser, englisch sealed-off laser, wird das Gasgemisch nicht durch eine mechanische Pumpe ausgetauscht. Stattdessen werden Wasserstoff, Wasserdampf und Sauerstoff beigemischt. Das bei der Anregung entstehende Kohlenstoffmonoxid reagiert an einer Platinelektrode wieder zu Kohlenstoffdioxid. So wird der CO₂-Anteil im Gasraum regeneriert. Statt eines Rohrsystems können auch Wellenleiter verwendet werden.

Beim Wellenleiterlaser oder Slablaser dienen zwei Elektroden als Wellenleiter. Das Gasgemisch wird durch Hochfrequenz angeregt. Diese Laser besitzen einen instabilen Resonator; eine hohe Strahlqualität wird durch Strahlformung erzeugt. Slablaser sind meist abgeschlossene Laser, es gibt jedoch auch Ausführungen mit notwendigem Gasaustausch.

Längsgeströmte Laser können nicht bei Gasdrücken betrieben werden, die über einigen 10 mbar liegen, weil sich sonst Lichtbögen bilden würden. Beim Transversal-angeregten-Atmosphärendruck-Laser, kurz TEA-Laser, wird die Entladungsspannung deshalb in Pulsen von weniger als einer Mikrosekunde quer zum Gasfluss angelegt. TEA steht für englisch transversal excited atmospheric pressure. Dadurch sind Gasdrücke bis zu einem Bar möglich; die Pulsdauer liegt in der Größenordnung von 100 ns.

Verwendungsgebiete und technische Grenzen

Im Leistungsbereich von 10 bis 200 Watt werden CO₂-Laser vor allem zum Schneiden, Gravieren und Perforieren dünner organischer Materialien wie Kunststoffen, Textilien und Holz eingesetzt. Gepulste CO₂-Laser dienen zum Ritzen und Trennen anorganischer Materialien, beispielsweise von Keramiksubstraten für Hybridschaltkreise.

In der Blechbearbeitung werden beim Laserschneiden typischerweise Strahlleistungen von 1 bis 6 kW verwendet. Damit lassen sich unlegierte Stähle bis etwa 35 mm und hochlegierte Stähle bis etwa 25 mm schneiden. CO₂-Laser mit mehr als 6 kW werden hauptsächlich zum Schweißen, Härten und Umschmelzen eingesetzt. Außerdem können sie zunehmend zum oxidfreien Laserschneiden bis 40 mm verwendet werden. Für das individuelle Schneiden von Blech in kleinen Losgrößen gelten CO₂-Laser als Standardwerkzeug; bei großen Stückzahlen ist Stanzen günstiger.

Die Wellenlänge von 10,6 µm liegt außerhalb des Transmissionsfensters hochleistungstauglicher Fenstermaterialien wie Quarzglas. Deshalb kann die Strahlung nicht durch herkömmliche glasbasierte Lichtwellenleiter geführt werden. Traditionell wird sie mit Metallspiegeln zum Werkstück geleitet. Als Alternative werden zunehmend spezielle Lichtleitfasern auf Silberhalogenidbasis, sogenannte PIR-Fasern, eingesetzt. Zur Fokussierung dienen Metall-Parabolspiegel oder Linsen aus einkristallinem Zinkselenid.

Metalle reflektieren die CO₂-Laserstrahlung zunächst stark. Durch teilweise Absorption und anschließenden Materialabtrag, zum Beispiel durch Verdampfen, bildet sich jedoch eine kapillarartige Vertiefung. An deren Wänden wird der Strahl mehrfach reflektiert und schließlich weitgehend absorbiert. Zusätzlich wirkt der Laserstrahl mit dem Metalldampf in der Kapillare durch Plasmaresonanz zusammen. Der notwendige Einstich ist wegen der hohen Rückreflexion und möglicher Metallspritzer, die die Fokussieroptik erreichen können, technologisch kritisch. Kupfer, Gold und andere Buntmetalle sind daher nur schwer mit CO₂-Lasern zu bearbeiten.

Glas absorbiert die Wellenlänge des CO₂-Lasers hervorragend. Deshalb werden diese Laser unter anderem zum Verschweißen von Halogenglühlampen, zum Gravieren von Trinkgläsern und zum Anritzen von Ampullen in der Pharmaindustrie eingesetzt. Ein weiteres Verfahren trennt spröde Materialien wie Glas und Keramik durch laserinduzierte thermische Spannungen: Das Material wird lokal erhitzt, aber nicht aufgeschmolzen.

Außerdem wurde versucht, CO₂-Laser zur Urananreicherung einzusetzen. Dabei wird ein uranhaltiges Gas mit dem Laser bestrahlt, wobei Uran-235 und Uran-238 unterschiedlich auf bestimmte Laserfrequenzen reagieren. Die entwickelte Technologie trägt den Namen SILEX-Verfahren. Als Vorteile werden ein geringerer Energiebedarf und eine kompaktere Bauweise gegenüber anderen Anreicherungsverfahren genannt. CO₂-Laser werden auch medizinisch verwendet, beispielsweise bei der fraktionierten CO₂-Laserbehandlung der Haut.