Tia laser CO2 được tạo thành bằng cách khai thác phản ứng của hỗn hợp khí trong ống chứa kín. Các khí này chính là môi trường laser.
Ống chứa này (gọi là tube hoặc cartridge) có thể làm bằng thủy tinh hoặc kim loại. Ống kim loại có hiệu suất cao hơn, ổn định hơn và bền hơn. Ống thủy tinh có hiệu suất thấp hơn, không ổn định, dễ vỡ nhưng có giá thành thấp hơn nhiều.
Tần số Radio (RF) được dùng để kích thích các phân tử khí (môi trường laser) để tạo ra tia laser.
Khí chính trong hỗn hợp này là CO2 cho nên nó có tên là Laser CO2. Độ dài sóng của loại laser này là 10.6µm, sẽ có tác dụng trên các vật liệu gỗ, giấy, một số loại nhựa, vải, ceramic, đá, v.v…Laser C02 được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ khắc laser trên kim loại và khắc laser trên phi kim loại, cắt laser (xem ứng dụng vật liệu)
Ở công suất thấp (<250W) thì không đủ năng lượng để cắt kim loại. Thông thường để cắt kim loại bằng laser CO2 thì cần công suất khoảng 1kW và cần hệ thống trợ khí tích cực.
Hệ thống laser loại này tỏa nhiều nhiệt do đó phải giải nhiệt tốt tránh ống laser bị quá nhiệt. Có 2 loại tản nhiệt được dùng là tản nhiệt bằng nước và không khí.
Nd:YAG và Nd:YVO4 LASER
Nguồn bơm năng lượng (pump system) dùng cho Nd:YAG và Nd:YVO4: Có 2 loại là dùng bóng đèn (lamp-pumped) và dùng Đi-ốt (diode-pumped)
o Nguồn kích loại bóng đèn là công nghệ cũ, hiệu suất thấp, không ổn định, giá thành vận hành và bảo trì cao. Loại máy này thường có kích thước rất lớn, tiêu thụ nhiều điện năng, và tỏa nhiều nhiệt do đó phải có hệ thống chiller (làm mát bằng nước tuần hoàn) đi kèm. Bóng đèn có tuổi thọ khoảng vài trăm giờ. Ưu điểm duy nhất của công nghệ này là công suất ra lớn, nhưng các ứng dụng trong các máy khắc laser ngày nay lại ít đòi hỏi điều này. Tuy nhiên nó lại được ứng dụng phổ biến trong các máy hàn laser.
o Nguồn kích loại diode thường gồm nhiều diode hợp lại. Ưu điểm của loại này là có hiệu suất cao, ổn định và chất lượng ngõ ra tốt. Kích thước máy loại này cũng nhỏ hơn và tốn ít điện năng hơn. Loại này có thể dùng tản nhiệt bằng nước hoặc không khí. Chi phí vận hành thấp. Tuổi thọ diode thường là nhiều ngàn giờ.
Hoạt chất laser (Laser medium):
Nd:YAG (neodymium-doped yttrium aluminium garnet; Nd:Y3Al5O12) là một loại laser thể rắn (solid-state), bao gồm 3 nguyên tốt Yttrium, Aluminium (nhôm) và hồng ngọc (Garnet) và một lượng rất nhỏ nguyên tố hiếm Neodymium.
Nd:YVO4 (neodymium-doped yttrium orthovanadate) cũng là một loại laser thể rắn, cấu tạo từ hợp chất yttrium orthovanadate và một lượng rất ít nguyên tố hiếm Neodymium.
Các môi trường laser này thường ở dạng thanh tròn (gọi là crystal hoặc rod). Nguồn kích và môi trường laser được đặt trong buồng kín giữa 2 gương (gương sau là gương phản xạ toàn phần, gương trước là gương phản xạ bán phần, xem hình minh họa)
Nd:YAG vs. Nd:YVO4
o Cả 2 loại đều phát ra tia laser ở bước sóng 1064nm (1.064µm).
o Thanh Nd:YAG bị giãn nở vì nhiệt nhiều hơn so với Nd:YVO4. Điều này ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng của hệ thống. Do đó Nd:YVO4 có hiệu suất cao hơn, tỏa ít nhiệt hơn.
o Nd:YVO4 và Nd:YAG tương đối giống nhau nếu dùng trong chế độ Continous-wave (năng lượng ra liên tục). YVO4 tốt hơn YAG ở chế độ Mode-locked. Ở chế độ Q-switched, YVO4 có năng lượng xung thấp hơn YAG.
o YVO4 phù hợp hơn cho các ứng dụng cần tần số xung cao. YAG phù hợp cho các ứng dụng cần năng lượng xung cao nhưng tần số thấp.
FIBER LASER
Fiber lasers sử dụng một cáp quang đặc biệt được phủ một lớp ion hiếm của vỏ trái đất để làm môi trường laser bên trong lõi fiber cable. Fiber lasers là laser điển hình được kích hoạt bằng năng lượng của diode lasers. Người ta sử dụng Fiber Bragg Gratings (Distributed Bragg Reflectors) có thể được tích hợp vào trong fiber hoạt động như là các gương phản xạ. Công nghệ này có ưu điểm hơn cả công nghệ Đi-ốt nhờ có chất lượng tia tốt hơn, ổn định hơn và tỏa rất ít nhiệt. Do đó không cần chiller mà chỉ cần tản nhiệt khí đơn giản.
o Máy fiber laser có kích thước nhỏ gọn, thậm chỉ có một số model có thể xách tay. Năng lượng điện tiêu thụ của máy cũng rất thấp. Máy hầu như không cần bảo trì vì gần như không có linh kiện nào bị hao mòn. Nguồn fiber laser có tuổi thọ từ hàng chục đến hàng trăm ngàn giờ.
o Fibers có thể dài vài mét hoặc thậm chí vài kilomet, cung cấp năng lượng tuyệt vời ở các máy cần hoạt động với công suất cao. Cuộn fiber cho khả năng thiết kế khoẻ, chắc chắn, ít cần bảo dưỡng với chất lượng tia cao và spot size nhỏ.
Nguồn: Tổng hợp