לייזר פחמן דו-חמצני

לייזר פחמן דו-חמצני הוא התקן אלקטרואופטי, שמייצר קרן לייזר בתחום האינפרה-אדום באורך גל הנע באזור 9–11 מיקרומטר. התקן זה הוא לייזר גזי ובו תווך (האזור בלייזר בו מתפתחת הקרן) המכיל תערובת גזים - בדרך כלל פחמן דו-חמצני, חנקן והליום. נוכחות גז הפחמן הדו-חמצני מאפשרת את הפקת קרן הלייזר ("לזירה" בלשון האלקטרו-אופטיקה) ואילו הגזים הנוספים בתערובת נועדו לייעל את פעולת הלייזר (למשל לשפר את נצילותו ולייצב את הספק הקרן). חלקו של הפחמן הדו-חמצני בתערובת מגיע לכ-10% בלבד.

היסטוריה 
לייזר פחמן דו-חמצני פותח והוצג לראשונה בשנת 1964 על ידי קומאר פאטל ממעבדות בל בארצות הברית. פאטל הצליח להפיק קרינת לייזר נמוכה כשהעביר זרם חשמלי בגז פחמן דו-חמצני נקי. על בסיס המצאה זו יוצרו כבר בשנת 1967 לייזרים בהספק של למעלה מ-1000 ואט. כיום מיוצרים סוגים שונים של לייזרים פחמן דו-חמצני בהספק הנע בין ואטים בודדים ועד אלפי ואט (1-10,000). לייזרים אלה נמצאים בשימוש נרחב בתעשייה וברפואה.

מרכיבים יסודיים 
כמו מרבית הלייזרים הגזיים – לייזר פחמן דו-חמצני כולל את רכיבי היסוד הבאים:
 מתקן אשר בו נמצא התווך הגזי. במרבית המקרים מתקן הלייזר אינו אלא שפופרת זכוכית או מיכל מתכת. בלייזר פחמן דו-חמצני תערובת הגזים בתווך (חנקן, פחמן דו-חמצני והליום) נמצאת בתת-לחץ (10-65 מיליבר לערך, כתלות בגודל הלייזר ודרך הטיפול בתערובת הגז).
מהוד אופטי – מערכת של מראות והתקנים אופטיים נוספים המשולבים בתווך הגזי.
ספק-כוח חשמלי המשמש לעירור התווך הגזי.
בפעולת הלייזר מעביר ספק-הכוח אנרגיה חשמלית אל התווך באמצעות אלקטרודת הנמצאות במגע עם הגז. האנרגיה החשמלית מעוררת את הגז - מעלה את הרמה האנרגטית של מרכיביו – ונוצרת בו התפרקות חשמלית המתבטאת בזרם בין האלקטרודות. שחרור האנרגיה מהגז מתבטא בין השאר בפליטת אור מהתווך (glow discharge), בדומה לאור נורות המבוססות על גז (נורות נאון למשל). צבעו של האור הנפלט מההתפרקות תלוי בהרכב הגז המצוי בלייזר. אור זה מכונה גם פליטה ספונטנית (נפלט לכל כיוון, הוא תערובת של צבעים שונים – אורכי גל שונים – ומתפזר כהילה ולא כקרן אחידה).

תערובת הגזים בתווך מותאמת כך שיתבצעו מעברי האנרגיה הבאים בין מרכיביה: הזרם החשמלי בתערובת מעורר את גז החנקן לרמת אנרגיה גבוהה (החנקן בולע אנרגיה). החנקן אינו יכול לשחרר אנרגיה זו כאור (פוטונים). באמצעות התנגשות, החנקן המעורר מעביר את האנרגיה שנבלעה בו אל הפחמן הדו-חמצני. הפחמן הדו-חמצני יכול לשחרר חלק מהאנרגיה שנבלעה בו באמצעות פוטונים של אור. תפקיד ההליום בתערובת הוא לסייע לפחמן הדו-חמצני לשחרר את שארית האנרגיה שנותרה בו (ולא השתחררה כאור), ובכך ההליום מקרר למעשה את הפחמן הדו-חמצני. את החום שנצבר בהליום יש לשחרר מהמערכת באמצעי קירור חיצוניים (מערכת קירור).המהוד האופטי בלייזר, המורכב בעיקר משתי מראות בשני קצותיו של התווך הגזי, נועד להפיק מהפליטה הספונטנית פליטה מאולצת (Stimulated radiation) המתבטאת בקרן לייזר ישרה, אחידה בצבעה (מונוכרומטית – בעלת אורך גל יחיד), בעלת קוטר מוגדר והתבדרות מועטה. אורך הגל של קרן הלייזר ('צבע' הקרן) תלוי בעיקר בחומר המהווה את התווך. לייזר פחמן דו-חמצני מפיק קרן בלתי נראית בתחום האינפרה אדום. אורך הגל הנפוץ ביותר ללייזרים אלה הוא 10.6 מיקרומטר.

תהליך יצירת קרן הלייזר תוך הפיכת אנרגיה חשמלית לאנרגיית אור מתאפיין בנצילות נמוכה. בלייזרים מסוג פחמן דו-חמצני נצילות התהליך היא כ-20%. שאר האנרגיה החשמלית הופכת לחום הנבלע בעיקר בתערובת הגז. לכן בתכנון כל לייזר יש לכלול התקן או מערכת קירור לסילוק החום מהגזים ומרכיבים אחרים. תקלות במערכת הקירור מביאות לירידה בהספק היציאה של הלייזר ועלולות אף לגרום לקריסת כל המערכת בשל הצטברות חום רב. בעיה נוספת בלייזר זה היא התפרקות מולקולות פחמן דו-חמצני לפחמן חד-חמצני (שאינו מפיק לזירה בתנאים אלה). ככל שעולה רמת הפחמן החד-חמצני בלייזר הספק היציאה הולך ודועך.

סוגים עיקריים של מבנה התווך בלייזר פחמן דו-חמצני 
 לייזר חתום (sealed) – תערובת הגזים נמצאת בתוך שפופרת זכוכית או מיכל מתכתי. בלייזר זה תערובת הגז קבועה ועל כן לייזרים מטיפוס זה הם בעלי אורך חיים מוגבל. הספק היציאה של לייזר פחמן דו-חמצני מוגבל למאות ואט בלבד (בסביבות 300 ואט).

 לייזר עם זרימה אורכית או רוחבית – תערובת הגזים בלייזר מסוג זה נמצאת כל הזמן בתנועה לאורך או לרוחב התווך הגאזי. מפוח או משאבה מניעים את תערובת על ידי הוצאתו מהתווך בקצה אחד והשבתו אל הלייזר בקצה השני. תהליך זה מאפשר גם את העברת תערובת הגז דרך מחליף חום על מנת לקרר את הגז בדרכו חזרה אל תווך הלזירה. בדרך זו מסולקים עודפי החום מהלייזר ומשתפר אורך החיים של תערובת הגז. על מנת לרענן את תערובת הגז עוד יותר, מתבצעת בלייזרים אלה הכנסת כמות קטנה של תערובת גז טרייה מדי פעם, בעוד חלק קטן של תערובת ישנה מסולק מהתווך. פעולה זו נועדה להבטיח את יציבות הספק היציאה של הלייזר. מבחינים בין לייזרים בעלי זרימה אורכית איטית שהספקם עשוי להגיע לכמה מאות ואט, לבין לייזרים עם זרימה אורכית מהירה שמגיעים להספק של אלפי ואט. לייזרים עם זרימה רוחבית יכולים להגיע להספק של אלפי ואט.

הבחנה נוספת בין סוגי לייזר פחמן דו-חמצני היא בין לייזרים עם קרן רציפה (CW-Continues Wave) לבין לייזרים פולסיים. לכל אחד מסוגים אלה של קרן לייזר שימושים שונים בתעשייה וברפואה.

כמו כן ניתן להבחין בין לייזרים שהאנרגיה החשמלית מועברת ישירות אל האלקטרודות הנמצאות בתווך הגאזי לבין לייזרים שהאנרגיה החשמלית משודרת אל התווך הגאזי בתדר רדיו (RF). שידור בתדר רדיו מבטיח אורך חיים גבוה יותר לרכיבים פנימיים בלייזר (כגון רכיבי האופטיקה).

השימוש בלייזר פחמן דו-חמצני 
הודות לרמות ההספק הגבוהות המתאפשרות בלייזרים מסוג זה, ובשילוב עלויות ייצור סבירות, הפך לייזר פחמן דו-חמצני לכלי העיקרי ביישומיים כגון חיתוך, קידוח, סימון, ריתוך והקשייה. התכונה האופטית של קרן הלייזר מאפשרת למקדה לנקודה בקוטר של כ-100 מיקרומטר ועל ידי כך להגיע לרמות גבוהות ביותר של צפיפות אנרגיה לצורכי חיתוך וריתוך מתכות. אורך הגל האופייני של לייזר פחמן דו-חמצני – 10.6 מיקרומטר – מתאים בעיקר למתכות ברזליות (פלדות למיניהן) וכן חומרים לא מתכתיים אחרים כגון עץ, פלסטיק, אריגים ועוד. היכולת למקד את כל העוצמה של קרן הלייזר בנקודת מוקד זעירה מאפשרת לקרן הלייזר לחדור פלדות בעובי של עד כ-20 מ"מ ולבצע חיתוך במהירות של כמטר לדקה. מכונות לייזר לחיתוך פחים ולוחות פלדה נמצאות בשימוש רחב בכל תעשיות המתכת ובמיוחד בתעשיית הרכב בעולם.

אורך הגל האופייני של לייזר פחמן דו-חמצני מתאים גם לחיתוך רקמות. חלוצי השימוש בלייזר פחמן דו-חמצני לניתוחים היו המהנדס עוזי שרון וד"ר אייזיק קפלן אשר מכשיר הלייזר לניתוח - שרפלן -נקרא על שמם.

במהלך שנות ה-90 של המאה ה-20, כשדרישות התעשייה לליזרים רבי-עוצמה יעילים הלכה וגברה, החל פיתוחם לייזרים חדישים המבוססים על סיב אופטי (לייזר-סיב) . לייזרים חדשים אלה הולכים ותופסים את מקומם של לייזרים פחמן דו-חמצני בתעשייה.

סיכום יתרונות וחסרונות לייזר פחמן דו-חמצני

יתרונות 
 מבנה פשוט
 הפקת הספקים גבוהים בעלות נמוכה יחסית
 קרן מקבילה בעלת התבדרות בינונית המאפשרת בניית מכונות גדולות
 אורך חיים בלתי מוגבל
 יציבות גבוהה
 תחזוקה פשוטה באופן יחסי
 אמינות גבוהה
 אורך גל מתאים למתכות ברזליות ולחומרים אורגניים רבים

חסרונות 
 אורך הגל אינו מתאים לעיבוד מתכות אל-ברזליות כגון אלומיניום או נחושת
 אורך הגל אינו מתאים להעברת הקרן בסיב אופטי – מגביל את היכולת להשתמש ברובוטים
 עלות תפעול גבוהה יחסית (בעיקר עלויות תערובת הגזים והחשמל)
 מיקוד לנקודה בקוטר של כ-100 מיקרומטר אינו מתאים ליישומים עדינים ביותר בהם נדרש קוטר מיקוד של מיקרונים בודדים

קישורים חיצוניים 

 רמי אריאלי, לייזרים ויישומיהם, באתר מכון ויצמן למדע, המחלקה להוראת מדעים.
סרטון הדרכה באתר מכון דוידסון.
טכנולוגית לייזר: המצאה ישראלית, כתבה בגלובס.
חיתוך פח עם לייזר פחמן דו-חמצני, סרטון Youtube.
חיתוך פלדה עם לייזר פחמן דן-חמצני, סרטון Youtube.
סימון על עץ עם לייזר פחמן דו-חמצני, סרטון Youtube.

הערות שוליים 

ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
פחמן דו-חמצני