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Lexikon der Optik: Kohlendioxidlaser

Kohlendioxidlaser, CO2-Laser, wichtigster Lasertyp für den mittleren Infrarotbereich (Wellenlänge um 10 μm), der sowohl im kontinuierlichen wie auch Impulsbetrieb hohe Strahlungsleistungen liefert. Er wird bevorzugt für die Materialbearbeitung eingesetzt. Die speziell hierfür entwickelten CO2-Laser werden vielfach auch als technologische Laser bezeichnet.

Als aktives Medium dienen CO2-Moleküle. Der interessierende Teil des Energieniveauschemas ist der Elektronengrundzustand, dem eine Vielzahl von Schwingungsniveaus überlagert ist, die wiederum in unterschiedliche Rotationsniveaus aufspalten. Es stehen so eine Vielzahl von Rotations-Schwingungsübergängen im Wellenlängenbereich um 10,6 μm (etwa 300 Linien zwischen 9 und 11 μm) zur Verfügung. Die Anregung und damit Erzeugung einer Besetzungsinversion erfolgt in einer elektrischen Gasentladung durch Besetzung der oberen Laserniveaus im wesentlichen infolge von Elektronenstößen, während das untere Laserniveau durch schnelle Schwingungs-Schwingungs-Relaxationen in das unterste Schwingungsniveau entleert wird.

Der Gasdruck im Entladungsraum beträgt üblicherweise einige 103 Pa, bei speziellen Systemen einige 104 Pa (Gastransportlaser) bis zu Atmosphärendruck (≈ 105 Pa, TEA-Laser) und darüber (bis 106 Pa, Hochdrucklaser). Die Anregung der elektrischen Entladung erfolgt kontinuierlich oder auch im Impulsbetrieb bei Folgefrequenzen bis zu maximal 103 Hz. Die Strahlungsleistungen bei kontinuierlicher Anregung liegen bei den üblichen Ausführungen bei Werten bis zu 1 kW mit Spitzenwerten von einigen kW für spezielle Anordnungen. Im Impulsbetrieb werden Leistungen bis in den GW-Bereich erreicht (TEA-Laser). Der Wirkungsgrad des CO2-Lasers ist mit 10 bis 20% relativ hoch. Insbesondere wegen der hohen kontinuierlich zu erzeugenden Strahlungsleistung wird er eingesetzt im Bereich der Materialbearbeitung zum Schweißen, Schneiden und Bohren der verschiedensten Materialien, zum Härten und zur Oberflächenveredlung, sowie in der Medizin.

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