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2025-02-21T07:40:26Z

-1, nicht sinnvoll

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Ein '''Kohlenstoffdioxidlaser''', '''CO2-Laser''' oder umgangssprachlich auch '''Kohlendioxidlaser''' bezeichnet eine [[Laser]]<nowiki/>klasse unterschiedlicher Bauformen aus der Gruppe der [[Gaslaser|Gas-]], [[Moleküllaser|Molekül-]] und [[Infrarotlaser]] im mittleren [[Infrarot]]. Sein [[Lasermedium]] ist [[Kohlenstoffdioxid]] mit einem 4-Niveau-System. Er zählt neben den [[Festkörperlaser]]n zu den leistungsstärksten und am häufigsten industriell eingesetzten Lasern. Es können Ausgangsleistungen von bis zu 80 kW und Pulsenergien bis 100 kJ erreicht werden.<ref name="keubuehl_laser_co2">{{Literatur |Autor=F. Kneubühl, M. Sigrist |Titel=Laser |Auflage=7. |Verlag=Vieweg+Teubner |Ort=Wiesbaden |Datum=2008 |ISBN=978-3-8351-0145-6 |Seiten=229ff}}</ref> Ein CO2-Laser produziert einen Strahl von Infrarotlicht mit einer Wellenlänge in den Bändern von 9,6 und 10,6 µm.
CO2-Laser sind relativ effizient und kostengünstig, weswegen sie besonders in der industriellen Materialbearbeitung eingesetzt werden. Der [[Wirkungsgrad]] liegt bei etwa 15 bis 20 %.<ref name="keubuehl_laser_co2" /> Er wurde 1964 von [[C. Kumar N. Patel]] bei den [[Bell Laboratories]] entwickelt.

== Funktion ==
[[Datei:co2 laser energieniveau schema.svg|mini|[[Energieniveauschema]] eines CO2-Lasers mit relevanten Freiheitsgraden der Moleküle]]
Das [[Lasermedium]] besteht in der Regel aus einem CO2-N2-He-Gasgemisch. Die N2-Moleküle werden im [[Resonator]] durch eine [[Gleichstrom|DC-]] oder [[Hochfrequenz|HF]]-[[Glimmentladung]] angeregt. Die N2-Moleküle lassen sich besonders leicht zum Schwingen anregen. Hierbei handelt es sich um eine tatsächliche kinetische [[Molekülschwingung]] (im vorliegenden Fall eine [[Valenzschwingung]]) und keine Anregung der Elektronen der Atome, wie bei [[Festkörperlaser]]n. 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 [[Amplitude]]n schwingen (ν und 2 ν). Da das N2-Molekül über kein permanentes Dipolmoment verfügt, sind Übergänge zwischen den Schwingungsniveaus unter Emission von [[Photon]]en (optische Übergänge) verboten und die N2-Moleküle können sehr lange (Größenordnung: 1 ms) in diesem angeregten Zustand bleiben. Durch die lange Zeit im angeregten Zustand besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sie CO2-Moleküle durch [[Stoß zweiter Art|Stöße zweiter Art]] anregen, in einer ihrer vier [[Normalschwingung]]en zu schwingen (vgl. [[Molekülschwingung]]) – dies macht die N2-Moleküle zu einer Art Energiespeicher. CO2-Moleküle, die auf das 2ν3-Niveau angeregt wurden, müssen erst durch spontanen Energieverlust um eine Energiestufe fallen, bevor sie ein Photon abgeben können.

Haben die CO2-Moleküle ihre [[kinetische Energie]] bis ν3 verloren, sind sie in der Lage, von diesem [[Angeregter Zustand|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 Atome 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.

== Bauformen ==
Es existieren mehrere mögliche Bauformen von Kohlendioxidlasern, die sich nicht nur hinsichtlich ihres Aufbaus überschneiden:<ref>{{Literatur |Autor=Jürgen Eichler, Jurgen Eichler, Hans-Joachim Eichler |Titel=Laser: Bauformen, Strahlführung, Anwendungen |Auflage=6. |Verlag=Springer |Datum=2010 |ISBN=978-3-642-10461-9 |Seiten=96–110 |Kommentar=Kapitel 6.2 CO2-Laser}}</ref>
* längs- und quergeströmte Laser
** Laser mit langsamer Strömung
** Laser mit schneller Strömung
* abgeschlossener Laser
* Wellenleiterlaser (Slablaser)
* Transversal-angeregter-Atmosphärendruck-Laser (TEA-Laser)
* HF-angeregte Laser
* gasdynamische Laser
* abstimmbare Hochdrucklaser

=== Längs- und quergeströmte Laser ===
[[Datei:co2 laser funktionsprinzip.svg|mini|Funktionsprinzip eines längsgeströmten Kohlendioxidlasers]]
Der Grundaufbau eines ''langsam'' längsgeströmten Lasers ist vergleichsweise einfach. Das Lasergas, ein Gemisch aus den drei Gasen [[Stickstoff]], Kohlenstoffdioxid und [[Helium]], wird kontinuierlich mittels einer [[Vakuumpumpe]] durch die Entladungsröhre gesaugt. Das optische Pumpen erfolgt bei dieser Bauform durch eine [[Gleichstrom]]entladung in axialer Richtung, die dafür sorgt, dass ein Teil des Kohlenstoffdioxids bei der Entladung zu [[Kohlenstoffmonoxid]] und [[Sauerstoff]] [[Dissoziation (Chemie)|dissoziiert]]. Aus diesem Grund ist die erwähnte kontinuierliche Zufuhr des Gasgemisches notwendig, da andernfalls nach einiger Zeit kein Kohlenstoffdioxid mehr vorhanden wäre. 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 Kohlenstoffdioxidmolekülen 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]].

=== Abgeschlossener Laser ===
Bei einem ''abgeschlossenen CO2-Laser'' (engl. {{lang|en|''sealed-off laser''}}) wird das Gasgemisch nicht durch eine mechanische Pumpe ausgetauscht. Stattdessen werden [[Wasserstoff]], [[Wasser]]dampf und [[Sauerstoff]] zu dem Gasgemisch hinzugegeben. Die Beimischungen sorgen dafür, dass das beim optischen Pumpen entstehende Kohlenstoffmonoxid an einer Platinelektrode wieder zu Kohlenstoffdioxid reagiert und sich somit der Kohlenstoffdioxidgehalt im Gasraum wieder regeneriert.

Anstelle eines Rohrsystems werden hier auch [[Wellenleiter]] benutzt.

=== Wellenleiterlaser (Slablaser) ===
Bei dieser als [[Slablaser]] bezeichneten Bauart werden zwei Elektroden als Wellenleiter benutzt. Gepumpt wird das Gasgemisch mittels [[Hochfrequenz]]. Diese Laser haben einen [[Laserresonator#Instabile Resonatoren|instabilen Resonator]], eine hohe [[Strahlqualität]] wird durch [[Strahlformung]] erzeugt. Slab-Laser sind meist abgeschlossen, es existieren jedoch auch Varianten, bei denen das Gasgemisch getauscht werden muss.

=== Transversal-angeregter-Atmosphärendruck-Laser (TEA-Laser) ===
Längsgeströmte Laser können nicht bei einem Gasdruck betrieben werden, der über einigen 10 mbar liegt, da sich sonst [[Lichtbogen|Lichtbögen]] bilden würden. Um dieses Problem zu umgehen, kann die Entladungsspannung in Pulsen kürzer als eine Mikrosekunde transversal zum Gasfluss angelegt werden. Entsprechende Kohlenstoffdioxidlaser werden daher Transversal-angeregter-Atmosphärendruck-Laser, kurz TEA-Laser genannt (TEA steht für englisch {{lang|en|''transversal excited atmospheric pressure''}}, dt. ''transversal angeregter Atmosphärendruck''). Dadurch werden Gasdrücke bis zu einem Bar möglich. Dabei werden Pulsdauern in der Größenordnung von 100 ns erreicht.

== Verwendungsgebiete ==
Im Bereich von 10 Watt bis zu 200 Watt werden sie vor allem zum [[Laserschneiden|Schneiden]], [[Gravieren]] und [[Perforieren]] von dünnem, organischem Material ([[Kunststoff]]e, [[Textilien]], [[Holz]] und so weiter.) eingesetzt. Gepulste CO2-Laser werden zum Ritzen und Trennen anorganischer Materialien (zum Beispiel [[Keramik]]substrate für Hybridschaltkreise) verwendet. In der Blechbearbeitung (Laserschneiden) werden typischerweise Strahlleistungen von 1 bis 6 Kilowatt verwendet. Damit können unlegierte Stähle bis etwa 35 Millimeter und hochlegierte Stähle bis etwa 25 Millimeter geschnitten werden. CO2-Laser mit mehr als 6 Kilowatt 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 [[Los (Produktion)|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 Fenstermaterialien 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]]n 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 [[Silberhalogenid]]basis ([[PIR-Faser]]) durch. Die Fokussierung erfolgt mit Parabolspiegeln aus Metall oder Linsen aus [[einkristall]]inem [[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 (Physik)|Absorption]] des Lasers und den 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]]<ref>{{Literatur |Autor=V. N. Anisimov, A. P. Kozolupenko, A. Yu Sebrant |Titel=Plasma transparency in laser absorption waves in metal capillaries |Sammelwerk=Soviet Journal of Quantum Electronics |Band=18 |Nummer=12 |Datum=1988-11 |Seiten=1623–1624 |DOI=10.1070/QE1988v018n12ABEH012779}}</ref>.
Dieser zunächst erforderliche Einstichvorgang ist aufgrund der hohen Rückreflexion und möglicherweise die Fokussieroptik erreichender Metallspritzer technologisch kritisch. [[Kupfer]], [[Gold]] und andere [[Buntmetall]]e 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.

Es existieren Versuche, CO2-Laser zur Urananreicherung zu verwenden. Ein uranhaltiges Gas wird mit dem Laser beschossen und reagiert unterschiedlich auf bestimmte Laserfrequenzen. So lassen sich Uran-235 und Uran-238 trennen. Eine solche Technologie wurde schon entwickelt und trägt den Namen [[SILEX-Verfahren]]. Die Vorteile dieser Technologie gegenüber anderen Anreicherungsverfahren sind, dass sie wesentlich energiegünstiger ist und kompakter gebaut werden kann.

Auch für medizinische Anwendungen wird der CO2-Laser benötigt, beispielsweise zur [[Fraktionierte CO2-Laserbehandlung der Haut|fraktionierten CO2-Laserbehandlung der Haut]].

== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=[[Fritz Kurt Kneubühl|F. Kneubühl]], M. Sigrist |Titel=Laser |Auflage=7. |Verlag=Vieweg+Teubner |Ort=Wiesbaden |Datum=2008 |ISBN=978-3-8351-0145-6}}
* {{Literatur |Autor=Jürgen Eichler, Hans-Joachim Eichler |Titel=Laser: Bauformen, Strahlführung, Anwendungen |Auflage=6. |Verlag=Springer |Datum=2010 |ISBN=978-3-642-10461-9 |Seiten=96–110 |Kommentar=Kapitel 6.2 CO2-Laser}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Laserstrahlquelle]]

Kohlendioxidlaser - Versionsgeschichte

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