Hoe werken CO2-lasers?

Een CO2-laser is een soort gaslaser. In dit apparaat wordt elektriciteit door een met gas gevulde buis geleid, waardoor licht wordt geproduceerd. De uiteinden van de buis zijn spiegels; waarvan de ene volledig reflecterend is en de andere wat licht doorlaat. Het gasmengsel bestaat in het algemeen uit kooldioxide, stikstof, waterstof en helium. Licht geproduceerd door CO2-lasers is onzichtbaar en valt in het verre infraroodbereik van het lichtspectrum.

Wanneer ze worden gestimuleerd door een elektrische stroom, worden stikstofmoleculen in het gasmengsel opgewonden, wat betekent dat ze energie krijgen. Stikstof wordt gebruikt omdat het deze aangeslagen toestand gedurende lange tijd kan vasthouden zonder de energie te ontladen in de vorm van fotonen of licht. De hoogenergetische trillingen van de stikstof prikkelen op hun beurt de kooldioxidemoleculen. Op dit punt bereikt de laser een toestand die populatie-inversie wordt genoemd, het punt waarop een systeem meer geëxciteerde deeltjes heeft dan niet-geëxciteerde. Om de laser een lichtstraal te laten produceren, moeten de stikstofatomen hun aangeslagen toestand verliezen door energie in de vorm van fotonen vrij te geven. Dit gebeurt wanneer de aangeslagen stikstofatomen in contact komen met de zeer koude heliumatomen, waardoor de stikstof licht afgeeft.

Het geproduceerde licht is zeer krachtig in vergelijking met normaal licht omdat de buis van gassen is omgeven door spiegels, die het grootste deel van het licht dat door de buis reist, weerkaatsen. Deze weerkaatsing van licht zorgt ervoor dat de lichtgolven die door de stikstof worden geproduceerd in intensiteit toenemen. Het licht neemt toe als het heen en weer gaat door de buis en komt pas naar buiten nadat het helder genoeg is geworden om door de gedeeltelijk reflecterende spiegel te gaan.

Licht van een CO2-laser is krachtig genoeg om veel materialen te snijden, waaronder stof, hout en papier; de krachtigste CO2-lasers worden gebruikt voor het bewerken van staal en andere metalen. Hoewel de krachtigste CO2-lasers meer dan 1.000 W gebruiken, liggen de lasers die voor bewerking worden gebruikt over het algemeen tussen 25 en 100 W; Ter vergelijking: laserpointers zijn een paar duizendsten van een watt. Omdat het in het infrarood zit, heeft het een zeer lange golflengte, ongeveer 10,6 micrometer; het is veel langer dan zichtbaar licht, dat tussen de 450 en 700 nanometer loopt. Zoals continue lasers gaan, is het CO2-type het krachtigst in productie.