Karbondioksit laserler özellikle endüstriyel uygulamaları ile bilinen ve gaz laserleri arasında en yüksek verimliliğe sahip laserlerdir. Verimleri teoride %40, pratikte ise %20’ye ulaşmaktadır. Ayrıca en yüksek güç sürekli dalga laserleridir. Karbondioksit laserleri elektromanyetik spektrumun kızıl ötesi dalga boyunda bir demet üretir ve bu demetlerin dalgaboyu genelde 9.4 ve 10.6 mikrometre civarındadır.
Aktif laser ortamı ya da kazanç ortamı bir gaz deşarjından (boşalmasından) oluşur. Bu ortam hava ya da su ile soğutulur. Su ile soğutulanlar yüksek güç uygulamalarında kullanılırlar. Bu deşarj tüpünde bulunan gaz karışımları şu şekildedir:
- Karbondioksit (CO2) | yaklaşık %10-20
- Azot (N2) | yaklaşık %10-20
- Hidrojen (H2) | %1-2
- Helyum (He) | gaz karışımının geri kalanı.
Özetle tanımını vermeye çalıştığım karbondioksit gaz laserlerin tarihsel olarak gelişimini yazımızın geri kalan kısmında ele alacağız. Bundan sonraki yazılarımızda ise karbondioksit gaz laserlerin çeşitlerini ve çalışma ilkelerini detaylıca ifade edeceğiz.
Karbondioksit laserler (CO2 laser) 1964 yılında Murray Hill’deki AT&T Bell Laboratuvarları’nda Patel tarafından icat edildi. Bu ilk CO2 laser CO2 molekülünün düşük titreşimsel-dönme geçişlerine dayanan dört seviyeli bir laserdi. Bu laserler ilk keşiflerinden bu yana, yüksek güç uygulamaları ile birleştirilmiştir. Patel’in inovasyonundan önce, düşük basınçlı gaz deşarj (boşalma) laserlerinin doğası gereği düşük güç aygıtları olduğuna ve gaz laserlerin verimlerinin çok düşük olacağına geniş ölçüde inanılıyordu. Patel’in laseri 100W’a çıkan sürekli dalga güç çıktısı üretmesiyle bu yanlış kanıları parçalara ayırdı. Bu durumda beklenilenin (%1-2) aksine verim %10 civarlarına kolaylıkla ulaşabildi bu laserler. Bunu CO2 laser teknolojisinin hızla yayılması izledi. CO2 laserler endüstriyel, medikal, meteorolojik ve askeri uygulamalarda geniş bir yelpazede kullanım alanı bulmuştur.
Yüksek güç CO2 elektrik deşarj laserlerinin gelişimi birkaç farklı evreler halinde ilerledi. İlk olarak CO2 laserleri tüplere benzer aygıtlardı, DC uyarım ve tüp duvarlarına yapılan moleküler difüzyonla soğutma sağlanıyordu. Bu aygıtlardaki sınırlı gaz soğutması tüp çapı ile zorlanıyordu, yani laser güç çıktısı deşarj tüp uzunluğu ile orantılı idi. Kilowatt (kW) ölçekli sistemler pratik olarak başarılı değildi, onlar 100 metre uzunluğunda deşarj tüplere gerek duyuyorlardı. Konvektif soğutmanın 1969 yılında hızla gelişmesi laser güç çıktısının da hacimsel orantıda artmasını sağladı. İlerleyen zamanlarda, birkaç on kW’lık güç üreten sistemler ya hızlı eksensel ya da enine gaz akışlı temellere dayandı. Daha sonraki gelişmeler radyo frekans-uyarımlı düzlemsel elektrodların (levhalar) deşarj alanı ile güç orantılamasına izin vermesiyle difüzyon soğutma tekrar gündeme gelerek CO2 laserlerin gelişiminde rol aldı. Bu teknoloji ile, çok kompakt yüksek güç aygıtların üretimi mümkün oldu. Aygıt güçleri 1-2 kW’la sınırlı iken, yeni elektrod dizilerinin geliştirilmesiyle yakında daha yüksek güç laserleri üretilebilir.
Son 30 yılda, yüksek güç CO2 laserleri geniş bir aralıkta uygulamalara sahip olmuştur. Ancak daha farklı yeni uygulamalar için de potansiyele sahiptir. Bu tür çoğu uygulamalar için yeni laser aygıtlarının günümüzde var olanlarından daha az maliyetli, daha kompakt ve daha fazla çok yönlü olmaları gerekiyor.
Gökhan Atmaca, MSc. twitter.com/kuarkatmaca
Kaynaklar:
- J. D. Strohschein, Modelling and Design of Advanced High-Power CO2 Laser Systems, Doktora tezi, University of Alberta
- http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide_laser
