เลเซอร์แก๊ส (Laser Gas)

เลเซอร์แก๊ส (Laser Gas)

แก๊สที่ใช้ในงานตัดชิ้นงาน งานแกะสลัก งานเชื่อม สำหรับ CO2 Laser

ปัจจุบันเทคโนโลยีเลเซอร์แก๊สได้รับการนำมาประยุกต์ใช้ในหลากหลายอุตสาหกรรมและทางการแพทย์ คำว่า "LASER" ย่อมาจาก "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" หมายถึงการขยายแสงโดยการกระตุ้นให้อะตอมหรือโมเลกุลปล่อยรังสี (แสง) ที่มีคุณสมบัติพิเศษออกมาพร้อมกันในปริมาณมาก ทำให้ได้ลำแสงที่มีความเข้มสูง มีทิศทางเดียวกัน และมีความยาวคลื่นเดียวกัน

เลเซอร์แก๊ส (หรือ Lasing gases) ถูกใช้เพื่อสร้างแสงเลเซอร์ โดยหลักการทำงานของ CO2 Laser คือการปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่านแก๊สเฉื่อยหรือส่วนผสมของแก๊สชนิดต่างๆ กระบวนการนี้ก่อให้เกิดการกระตุ้นอิเล็กตรอนภายในอะตอมของแก๊ส ส่งผลให้อิเล็กตรอนถูกยกระดับไปสู่วงโคจรที่มีพลังงานสูงรอบนิวเคลียสของอะตอม เมื่ออิเล็กตรอนกลับคืนสู่สถานะพลังงานต่ำตามปกติ จะเกิดการปลดปล่อยอนุภาคของแสงที่เรียกว่า โฟตอน ซึ่งโฟตอนเหล่านี้มีคุณสมบัติเด่นคือการปล่อยแสงที่มีความยาวคลื่นคงที่ ซึ่งขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานที่ถูกปลดปล่อย

เนื่องจากพลังงานทั้งหมดมีความยาวคลื่นเดียวกัน จึงเกิดการปล่อยแสงสีเดียวในสเปกตรัมของสี ในขณะที่การปล่อยแสงที่มีความยาวคลื่นหลากหลายจะเกิดเป็นแสงธรรมชาติ และความยาวคลื่นที่สม่ำเสมอจะสร้างสีเดี่ยว เช่น สีแดงหรือสีน้ำเงิน

     เลเซอร์แก๊สโดยทั่วไปหมายถึงส่วนผสมของแก๊สที่ใช้ในเลเซอร์แก๊ส ส่วนผสมหลักสำหรับเลเซอร์ประกอบด้วย Helium (He), Nitrogen (N2) และ Carbon Dioxide (CO2) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในงานอุตสาหกรรม เช่น การตัดและการแกะสลัก นอกจากนี้ยังมีแก๊สเติมแต่งอื่น ๆ เช่น แก๊สออกซิเจน แก๊สไฮโดรเจน แก๊สซีนอน และแก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ เพื่อเพิ่มคุณสมบัติเฉพาะสำหรับงานเลเซอร์ในบางประเภท

1.แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2): เป็นตัวกลางหลักที่ทำให้เกิดแสงเลเซอร์โดยตรง สามารถผลิตแสงเลเซอร์ในช่วงอินฟราเรดกลาง เลเซอร์ CO2 มีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแสงเลเซอร์สูง (สามารถสูงถึง 20%) ให้กำลังเอาต์พุตสูง เหมาะสำหรับงานอุตสาหกรรมที่ต้องการพลังงานมาก นอกจากนี้ CO2 ไม่เป็นพิษเหมือน CO ทำให้มีความปลอดภัยในการใช้งานมากกว่า

2.แก๊สคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO): เป็นตัวกลางที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแสงเลเซอร์ และปรับปรุงคุณภาพของลำแสงเลเซอร์ให้มีความเสถียรมากขึ้นหรือมีความเข้มสม่ำเสมอมากขึ้น CO มีคุณสมบัติในการดูดซับพลังงานที่แตกต่างจาก CO2 การผสม CO อาจช่วยให้แก๊สในเลเซอร์ดูดซับพลังงานได้ดีขึ้นในบางความถี่ ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความยืดหยุ่นสูง เช่น ในงานวิจัยหรืออุตสาหกรรมที่มีความต้องการเฉพาะ

3.แก๊สไฮโดรเจน (H2): ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานเป็นแสงเลเซอร์ ไฮโดรเจนมีคุณสมบัติในการนำความร้อนที่ดี ทำให้ลำแสงมีคุณภาพสูงขึ้น เช่น มีความโฟกัสดีขึ้น ไฮโดรเจนเป็นส่วนประกอบสำคัญในเลเซอร์เคมีบางประเภท เช่น เลเซอร์ฟลูออรีน-ไฮโดรเจน (HF) หรือเลเซอร์ดิวทีเรียม-ฟลูออรีน (DF)

4.แก๊สซีนอน (Xe): ใช้เพื่อปรับแต่งคุณสมบัติของเลเซอร์ ซีนอนสามารถผลิตแสงเลเซอร์ในช่วงอินฟราเรดและอัลตราไวโอเลต ทำให้สามารถออกแบบเลเซอร์ให้เหมาะกับงานเฉพาะทางได้

5.แก๊สไนโตรเจน (N2): ช่วยกระตุ้นโมเลกุล CO2 ให้อยู่ในสถานะพลังงานที่สูงขึ้น ทำให้กระบวนการสร้างแสงเลเซอร์มีประสิทธิภาพมากขึ้น การเพิ่ม N2 ช่วยให้ลำแสงเลเซอร์มีความเสถียรมากขึ้นและลดความผันผวนของกำลังเอาต์พุต

6.แก๊สฮีเลียม (He): ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเลเซอร์โดยช่วยระบายความร้อนของส่วนผสมแก๊ส ทำให้เลเซอร์สามารถทำงานที่กำลังสูงได้โดยไม่เกิดความเสียหายจากความร้อน

     สัดส่วนที่แน่นอนของแก๊สที่ใช้ในเลเซอร์อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการออกแบบเลเซอร์ของแต่ละผู้ผลิตและการใช้งานเฉพาะ อย่างไรก็ตาม อัตราส่วนทั่วไปของส่วนผสมแก๊สสำหรับ CO2 เลเซอร์คือประมาณ 10-20% CO2, 10-20% N2 และ 60-80% He นอกจากนี้ เลเซอร์แก๊สประเภทอื่นๆ อาจใช้ส่วนผสมแก๊สที่แตกต่างกัน เช่น เลเซอร์เอ็กซ์ไซเมอร์ (Excimer Laser) ซึ่งใช้แก๊สเฉื่อยผสมกับซีนอน (Xenon) หรือเลเซอร์ฮีเลียม-นีออน (He-Ne Laser) ซึ่งใช้ส่วนผสมของฮีเลียมและนีออนสำหรับเลเซอร์แก๊ส ค่าปนเปื้อนน้ำหรือ H2O ควรไม่เกิน 5 ppm เพื่อให้แน่ใจว่าเลเซอร์ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและลดความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นจากการปนเปื้อน

• คุณสมบัติและการใช้งาน: แก๊สไนโตรเจนใช้เป็นแก๊สช่วย (Assist Gas) เหมาะสำหรับการตัดเหล็กทุกประเภท (ทั้งเหล็กกล้าและเหล็กกล้าไร้สนิม) และอลูมิเนียม (Aluminum) โดยใช้ความดันสูง (12-35 บาร์) ช่วยในการขับน้ำโลหะออกจากร่องตัดได้อย่างมีประสิทธิภาพสำหรับเหล็กอ่อนที่บางกว่า 4 มม. การใช้แก๊สไนโตรเจนจะให้ความเร็วในการตัดที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับการใช้แก๊สออกซิเจน เหมาะสำหรับงานที่ต้องการผลิตชิ้นงานจำนวนมากในเวลาจำกัดปริมาณแก๊สไนโตรเจนที่ใช้ในกระบวนการตัดอาจมีอัตราการไหลสูงถึง 120 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง ซึ่งช่วยในการระบายความร้อนและขับน้ำโลหะออกจากร่องตัดได้อย่างมีประสิทธิภาพ การใช้แก๊สไนโตรเจนในการตัดด้วยเลเซอร์เหมาะสำหรับงานที่ต้องการคุณภาพการตัดสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องการรอยตัดที่สะอาดปราศจากออกไซด์ต้นทุนของการใช้ไนโตรเจนค่อนข้างสูงกว่าเนื่องจากใช้แก๊สในปริมาณมากและมีราคาสูงกว่าออกซิเจน

• คุณสมบัติและการใช้งาน: แก๊สออกซิเจนใช้เป็นแก๊สช่วย (Assist Gas) เหมาะสำหรับการตัดเหล็กอ่อน (Mild Steel) โดยเฉพาะ ใช้ความดันต่ำกว่า 3 บาร์ ซึ่งต่ำกว่าการใช้แก๊สไนโตรเจนมาก กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพสูงในการตัดเหล็กอ่อนแต่จะเกิดการออกซิเดชัน (เกิดสนิม) บริเวณรอยตัด เนื่องจากแก๊สออกซิเจนทำปฏิกิริยากับเหล็ก เหมาะสำหรับงานที่ต้องตัดเหล็กหนา และไม่มีปัญหาเรื่องการเกิดออกไซด์ที่รอยตัด โดยให้ความเร็วในการตัดสูงกว่าสำหรับเหล็กที่หนามากกว่า 8 มม. ใช้แก๊สในปริมาณน้อยกว่าแก๊สไนโตรเจนมาก (ต่ำกว่า 2-3 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง) ซึ่งช่วยประหยัดต้นทุนในการใช้แก๊ส