Nechceme hlboko zasahovať do kvantovej fyziky, ale iba načrtnúť niekoľko zaujímavých vlastností princípu laseru. Základné vlastnosti elektromagnetického vlnenia, základu svetla, je že s rastúcou energiou vyžiarenie fotónu sa bude skracovať vlnová dĺžka.

Inak povedané najmenšiu fotónovú energiu má najväčšia vlnová dĺžka rádiovej vlny. Potom smerom od najmenšej k najväčšej sú vlny mikrovlnnej, sub-milimetrové, infračervené, viditeľné, ultrafialové, röntgenové a gama lúče ( s najväčšou fotónovou energiu a najkratšou vlnovou dĺžkou).

Princípom je dostať elektrón z jednej valenčnej vrstvy 1 na vyššiu 3. tým získa energiu a sám nechce ostať na tejto úrovni, držíme ho tu budením plynu. Následne pri klesaní z vyššej valenčnej vrstvy 3 do vrstvy 2 sa vyžaruje energia vo forme fotónu. To je to svetlo vychádzajúce z laseru. Fotóny sa riadia k sebe a my nechceme mať spontánnu emisiu fotónov, ale úplne riadenú kontrolu nad emisiou fotónu, aby sme mohli ovládať laser.

Tu je dôležitý poznatok, že podľa energie fotónov buď lúč vidíme alebo nie (je v inom pásme, IČ, UV apod.) Ak zájdeme do dôsledku, potom závisí aj farba lúča na vlnovej dĺžke. Paradoxne najmenší výkon a teda najbližšie k infračervenej oblasti má farba lúča červená, najväčšiu má fialová (najbližšie ultrafialovému žiareniu).

Následne fotóny smerujeme v rezonančnej dutine medzi dvomi zrkadlami tak, aby sa energia koncentrovala a stala sa koherentná. V rezonančnom obvode sa zosíli tok fotónov a prekoná polopriepustné zrkadlo (odrazivosť okolo 99,9 %). Zaujímavosťou je, že smer prvého fotónu určuje smer nasledujúcich fotónov ( podľa matematicko-fyzikálnej teórie je známy smer budiaceho fotónu ešte pred tým než sám fotón vznikol). Tým, že sa fotóny majú tak radi a nasledujú svoju spoločnú cestu, dochádza k ich rovnomernému nasmerovaniu, teda koherencii. Koherentný lúč má minimálnu rozbiehavosť, to znamená, že na veľmi veľkú vzdialenosť má stále skoro rovnaký priemer –priemer sa takmer nezväčšuje). Táto koherencia ma veľmi veľkú energiu, ktorá sa dá pomocou optiky vhodne koncentrovať do malého bodu, čo sa potom nazýva spot laseru. Excelentná koherencia lúča, monochromatickosť lúča, jediný smer žiarenia, toto sú vlastnosti, ktoré sa dajú využiť pre zaostrenie lúču do veľmi malého bodu a teda koncentrovať laserové žiarenie cez optiku, takmer na difrakčnom limite. čo u prírodného svetla nejde. Difrakčný limit tu existuje, pretože sa dá koncentrovať optikou svetlo menšie ako je jeho vlnová dĺžka. U CO₂ laserov pre značenie dosahuje hodnoty okolo 0,2 mm u vláknových Laserov je zaostrený bod (vo fokusácii) 0,01, čím docielim veľkú koncentráciu výkonu na malý bod. Kompaktné lasery sú tiež nazývané slab CO₂ lasery s vysokofrekvenčným RF budením s veľkoplošnými medenými elektródami.

Teplo, ktoré vzniká medzi elektródami, sa musí odvádzať a teda chladiť. Do výkonu 55 W je chladenie väčšinou vzduchom, ale výkony nad 100 W už majú chladenie vodou. Vyššia teplota by poškodila rezonančnú komoru, hlavne polohu a zakrivenie odrazových zrkadiel a tým pádom by klesol výkon laseru. Plyn v laseroch pre značenie o výkonoch 10 W až 150 W sa nemení, ostáva rovnaký od výrobcu a vydrží bežne v laseri 8 až 10 rokov.

Aj keď princíp laseru je značne zložitejší ako tu popisujeme, tak jednoducho ide o trubicu s vhodným aktívnym prostredím, väčšinou CO₂ plynom. Konce trubice sú doplnené o dve rovnobežné zrkadlá. Vzdialenosť medzi zrkadlami tvorí takzvaný rezonátor, medzi ktorým je aktívne prostredie. Jedno zo zrkadiel je polopriepustne. Teraz spustíme laser. V aktívnom prostredí prvý iniciačný spontánny fotón strhne pri zrážke s atómom alebo molekulou k hromadnej indukovanej emisii. Atómy padajú na nižšiu energetickú hladinu, čo má za následok emigráciu fotónov, teda vyžiarenie energie. V tom pomáha optika zrkadiel a doráža fotóny späť do aktívneho prostredia a s každým priechodom strhne ďalšiu radu fotónov. Fotóny šíriace sa iným smerom než v ose rezonátoru opúšťajú systém, zanikajú. Tým teda dôjde ku koherencii lúčov fotónov a polopriepustným zrkadlom na jednom konci opúšťajú systém v takmer nerozbiehavom zväzku. To je náš CO₂ laserový lúč ku značeniu.

Popísaný princíp CO₂ laseru sa hodí skôr pre CW- continuous wave- kontinuálne lasery, kedy lúč stále vystupuje s rovnakou intenzitou. Ale v priemysle sa častejšie používajú pulzné lasery s veľkou výstupnou energiou a krátkym pulzom. Toto je dosiahnuť širším pásmom pre rezonančnú komoru a viac frekvenciami v pásme. Jednotlivé frekvencia musia byť vo fázy s hlavnou frekvenciou. Následne dochádza k sčítaniu frekvencií tak, že vzniká pulz o vyššej energii a krátkom trvaní. Takto jednoducho popísané vznikne pulzný laser. Pokiaľ chceme ešte vylepšiť kvalitu pulzu, použije sa súčiastka nazývaná Quality switch alebo tiež Q- switch (foneticky kju svitč).

Trubice s aktívnym plynom CO₂ je o priemere asi 10 až 20 mm, jej dĺžka je okolo 0,5 až 1 m. Je možné tiež použiť dve rôznobežné trubice polovičné dĺžky, na jednom konci spojené zrkadlami pod uhlom 45°. Zníži sa tak konečná dĺžka laserovej trubice takmer na polovicu. Lúč býva väčšinou infračervený (10,6 µm, ale aj 9,3 µm alebo 10,2 µm apod.) a trvalý výkon je bežný do 200W. Pre značenie sa používa najčastejšie 10 W alebo 30 W výkonu. Nezabudnite na vlastnosti plynu, tie sú neuveriteľné, pretože CO₂ laser nemá veľké nároky na čistotu plynu a prímesi plynov ako je xenón, hélium a vodná para jeho výkon ešte zvyšujú. Najčastejšie sa používa z väčšej časti Helium (dobre vedie teplo) a potom sa pridáva CO₂ plyn ako aktívny prvok a ďalej dusík. V tomto mixe plynov dochádza k výboji, ktorý presunie elektróny do excitovaného stavu. Vlnová dĺžka najčastejšie pre značenie 10,6 µm alebo tiež 9,3 µm pre CO₂ laser. Najväčšími výrobcami sú Synrad a Coherent, laserové zdroje od týchto výrobcov používa Solaris. Elektrická efektivita je 10 až 20%, čo znamená, že zvyšok elektrickej energia sa premieňa na teplo a je nutné ho odvádzať.
CO₂ lasery patria medzi najvýkonnejšie typy laserov vôbec (dosahujú výkon až 20 kW). CO₂ laser je veľmi rozšírený v priemysle, a to hlavne pri spracované plechov, kedy je vďaka svojej vlnovej dĺžke 10,6 µm a možnosťou zvárania či rezania oceli (až 45 mm) takmer nenahraditeľný. Používa sa tu stále pretekajúce aktívny CO₂ plyn cez rezonančný optický obvod a je tu teda veľká spotreba plynu. Vďaka svojej vlnovej dĺžke je pri dobrej absorpcii často používaný pri spravovaní organických (koža, papier, drevo atď.) či polymérnych materiálov. Nevýhodou vlnovej dĺžky je vedenie laserového lúča, kedy sa nedá využiť vlákno, ktoré sa veľmi využíva na robotických aplikáciách. U CO₂ laserov sa k vedeniu používajú len zrkadlá. Aplikácie, kedy môžete efektívne umiestniť CO₂ laser na robotické rameno již existujú, ale vplyvom vláknových laserov sa k tejto aplikácii pristupuje vo veľmi špecifických prípadoch (veľmi hladký 3D rez). Vedenie lúča je potom dutou vysoko odrazovou hadicou nahradzujúcou vlákno. Nepočíta sa, že by toto problémové riešenie nahradilo vláknové lasery.

Vychyľovací systém je tvorený sústavou dvoch zrkadiel umiestnených tak, aby dochádzalo k vychyľovaniu oboch strán (XY). Tento spôsob sa nazýva PEN TYPE. Tento princíp bol predstavený v roku 1969, ale až v 80. rokoch bol predstavený s CO₂ kontinuálnym laserom, teda laser čo má stály výkon po celu dobu jeho pracovného cyklu, teda žiadne krátke pulzy s veľkými časovými medzerami.

Princíp je ako kreslenie preto, teda laser značí presne, ako keď kreslíme perom, pri premiestení na inú polohu preto nenadvihujeme ale laser vypneme a zapneme ho až s dotykom pera povrchu a zase značíme a to vektorovo, teda plynule vo dvoch osách vďaka vychyľovacím zrkadlám pre každú osu. Za vychyľovacou sústavou je optika, ktorá sústreďuje laserový lúč do ohniska. Voľbou typu optiky meníme veľkosť značiaceho povrchu a tiež aj vlastnosti značenia (hrúbka čiary a krok, alebo vzdialenosť medzi ďalšou čiarou, niečo ako rozlíšenie). Skenovacej hlave s dvomi galvo motormi/aktuátormi sa hovorí vektorová skenovacia hlave, alebo rozmotaná skenovacia hlava. Navádzanie lúča sa deje po vektoroch s veľmi vysokou presnosťou a rýchlosťou.
Princíp je známy ako Steered Beam Lasers. Výhodou je veľmi kvalitné značenie do veľkosti 400x400mm. Pretože je zaostrený lúč cez optiku a v jej ohnisku dosahuje maximálnu intenzitu, tak nie je nutné použiť laser o veľmi veľkom výkone. Preto systému stačí relatívne lacná laserová trubica s výkonom 10 až 100 W a vzduchom chladený systém.

Tvar lúča z rezonančného obvodu je často štvorcový (obdĺžnikový) a je optickým systémom transformovaný na kruhový s požiadavkou najvyššieho výkonu v strede lúča (gaussové rozloženie výkonu). Rezonančný obvod má rôzne tvary odrazových zrkadiel od rovinných až po vypuklé (používajú sa častejšie). Laserový lúč môže byť polarizovaný alebo môže mať náhodnú polarizáciu (výhodné pre rezanie a delenie materiálov).
Kvalita lúča závisí ako na kvalite laserového zdroja, teda tam, kde sa lúč vytvára (dutina s optickým rezonátorom, tvorená odrazovými zrkadlami), ale tiež na spôsobe vytvorenej rezonančnej dutiny. Zrkadlá môžu byť rovnobežné alebo zakrivené. Následne optika upravuje vlastný lúč do požadovaného priemeru a vlastností. Dá sa tak dosiahnuť rozbiehavý lúč alebo veľmi úzky a koncentrovaný lúč, všetko podľa aplikácie. Lúč potom ide na výstupnú optiku, ktorá je tvorená zo ZnSe materiálu, často s nažltlým povrchom. Niektoré optiky sú úplné mliečne a nepriehľadné pre ľudské oko a viditeľné spektrum (pre 10,6 µm sú úplné transparentné). Táto výsledná optika zaostrí lúč do najmenšieho miesta a bod/ spot/ je okolo 0,2 mm pre CO₂ značiace lasery.
Existuje základné pravidlo pre návrh rezonančného obvodu vo vzťahu k jeho tepelnej stabilite. Čím je väčší priemer lúča, tým je menšie tepelné namáhanie optického systému. Výsledkom je dlhšia životnosť laseru. Súčasne je ďalšie pravidlo - používajte v laseri čo najmenšie zrkadlá a tým pádom bude systém lacnejší a stabilnejší a bude mať aj dlhšiu životnosť. Rezonančný obvod nadávajte do sklenenej trubice(ázijské lasery), ale do hliníkového monobloku a zvýši sa tak životnosť, vďaka jednoduchému odvádzaniu tepla.

Podľa tvaru rezonančnej komory a počtu rezonančných zrkadiel nazývame V shape alebo Z shape CO₂ lasery. Poklal je rezonančná komora predlžená ďalším zrkadlom, tak dôjde k jej skráteniu a tým aj k menším zástavbovým rozmerom. Naopak je potrebné takto malý priestor ochladiť. Pokiaľ je rezonančný obvod medzi zrkadlami, z ktorých je posledné (výstupné) polopriepustné a pustí laserový lúč len ak prekoná určitu medzu, tak hovoríme o opticky stabilnom rezonančnom obvode. Pokiaľ je ale sústava zrkadiel 100 % odrazová a je navrhnutá tak, že lúč na konci minie posledné zrkadlo (respektíve nie je tu posledné zrkadlo), tak nazývame túto sústavu opticky nestabilná. Nastavený optický rezonátor je veľmi náchylný na presne polohovanie zrkadiel a tak je veľmi citlivý aj na tepelnú stabilitu. Táto sústava je častejšie používaná u RF generátorov CO₂ laserov s medenými elektródami v systéme SLAB než u DC (jednosmerným prúdom) budených CO2 laserov. V priemyselných aplikáciách, kde je vyžadovaná veľká stabilita a dlhodobá odolnosť, je nutné zabezpečiť konštantnú teplotu laseru, bez veľkých výkyvov.

RF budenie CO₂ laserov

Jeden zo spôsobov prenosu energie do plynov je cez radio frequency RF. Vo väčšine RF laserov je výboj kolmý k ose rezonátoru. Tieto lasery sa dajú regulovať moduláciou v širokom rozsahu výkonu a s pulzmi s vysokou opakovateľnosťou. Základnou nevýhodou je znížená účinnosť, ale to je stále prijateľné, hlavne pre lasery vyšších výkonov, hlavne v porovnaní s opotrebením rovnomerných medených DC elektród (toto je iný spôsob budenia, kedy výboj vzniká medzi dvomi medenými elektródami, bez RF generátoru).
Staršie RF generátory sa skladajú z oscilátoru, ktorý generuje frekvenciu zosilňovacieho valca. Moderné generátory sú koncipované ako self-oscilátory a skladajú sa iba z RF zosilňovacieho valca. Vďaka svojej jednoduchosti, v porovnaní s oscilátor / zosilňovač generátormi, RF generátory poskytujú zvýšenú spoľahlivosť s nízkymi nárokmi na údržbu a dosiahnutie vyššej účinnosti budenia s nízkymi prevádzkovými nákladmi.
Existujú systémy ako napríklad od firmy Synrad, ktoré kombinujú dva polarizované laserové zdroje 25 W do jedného laseru. Na výstupe je tak deklarovaný výkon 50 W a to s náhodnou polarizáciou, ktorá je veľmi výhodná napríklad pre rezanie materiálu. Ide o unikátne systémy, ktoré sa vyznačujú malými rozmermi, ale pritom vysokým výkonom. Zaujímavosťou je tiež oddelená elektronika, čo má výhodou, keď odíde jedna časť ovládania trubice, tak druhá časť môže fungovať ako núdzoví režim a potom je teda aj núdzovo polovičný výkon laseru (nedôjde k úplnému odstaveniu systému). Napájanie býva okolo 30 V DC pre laserovú trubicu ale prúd pre 50 W laseru je už 28 A takže je potrebné ochladiť 800 W, teda už je nutné použiť vodné chladenie. Ventilátory by to nezvládli pri plnom chode a plnej vyťaženosti. 10 W laser má napájanie tiež okolo 30 V DC, ale prúd je len 7 A.

Zaostrovacia vzdialenosť laseru a hĺbka zaostrenia

Lasery ako optické zariadenia používajú princíp lomu svetla a jeho foksáciu / zaostrenie na povrch, kde sa na malom bode koncentruje značná energia pulzu. Pre značiace lasery je zmyslom zaostrenia lúča na čo najmenší bod, kedy koncentrovaná energia pulzu potom spôsobí zmeny povrchu materiálu.

U CO₂ laserov sa používa Beam Expander, ktorý rozširuje lúč z laserového zdroja. Zmyslom je mať čo najväčší lúč vstupujúci na zaostrovaciu výstupnú optiku laseru. Laicky povedané, čím väčší lúč vstupuje na optiku, tým lepšie zaostrenie dosiahneme, respektíve je čo zaostrovať. Preto Beam expandery majú štandardne hodnoty zväčšenia 1,5x až 6x. Bežne sa používa zväčšenie okolo 3x, kedy je najlepší pomer cena a výkon. Lúč laseru je v mieste teoretického výpočtu najmenší, ale v praxi sa používa aj oblasť nad fokusáciou a pod fokusáciou (Pre focus / Post focus) a to do hodnôt okolo ±4 mm. Síce sa rozostrí lúč a potom je stopa väčšia, ale často pre značiace systéme je to úplne dostačujúce, niekedy naopak vyžadujúce, kedy koncentrácia výkonu nie je na veľmi malom mieste, ale je rozložená na väčšiu plochu, čo toľko neovplyvní materiál.

CO₂ lasery Solaris s vlnovou dĺžkou 10,6 µm alebo 10,2 µm alebo 9,3 µm

Štandardná vlnová dĺžka CO₂ laseru je 10,6 µm. Na túto vlnovú dĺžku je naladený rezonátor väčšiny bežne dostupných laserov pre značenie, gravírovanie. Viacmennej pre niektoré materiály je vhodnejšia skrátená vlnová dĺžka, ako je 10,2 µm alebo 9,3 µm. Najväčšie rozdiely sú viditeľné pre PET materiál, číru fóliu alebo pre značenie dosiek plošných spojov. Vlnová dĺžka 10,6 µm robí ostré a presné značenie, ktoré je na PET materiáli jasne viditeľné ako ostrá horúca ihla, ktorá prešla po povrchu PET materiálu a okraje plastu sa vytlačia navrch, takže pre dotyk ja materiál drsnejší, je cítiť štruktúru po značení laserom. Naopak 9,3 µm je ozajstné zasiahnutie laserovým lúčom, kedy je viditeľne označený text na PET materiály kontrastnejší, belší, tučnejší a pritom na dotyk hladší, jemnejší, nie je toľko poškodený PET materiál. 9,3 µm napenil PET materiál, čo spôsobilo malé bublinky v plaste, ktoré robia väčšiu stopu, plochu pre značenie laserom. PET materiál nie je toľko poškodený do hĺbky, je teda viac odolnejší na vnútorný tlak v PET fľašiach. Opticky sa tak javí text lepšie čitateľný, viditeľnejší a nie je potrebné hľadať správne nasmerovanie na svetlo a získať najväčšiu absorpciu v lome svetla. Rozhodne pokiaľ značíte PET materiál alebo dosky plošného spoja, použite lasery Solaris s vlnovou dĺžkou 9,3 µm, teda obchodnú značku Solaris Light.