อาร์กอน (Argon Gas)

เลเซอร์แก๊ส (Laser Gas)

แก๊สที่ใช้ในงานตัดชิ้นงาน งานแกะสลัก งานเชื่อม สำหรับ CO2 Laser

ปัจจุบันเทคโนโลยีเลเซอร์ถูกนำมาประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายในหลายอุตสาหกรรมและทางการแพทย์ เช่น งานตัด (Laser Cutting) งานเชื่อม (Laser Welding) งานแกะสลัก (Laser Engraving) งานวิเคราะห์ และเครื่องมือทางการแพทย์บางประเภท

คำว่า LASER ย่อมาจาก Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation หมายถึงการขยายแสงด้วยกระบวนการปล่อยรังสีแบบถูกกระตุ้น ทำให้สามารถสร้างลำแสงที่มีความเข้มสูง มีทิศทางที่ชัดเจน และมีคุณสมบัติของแสงที่สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ

Laser มีหลายประเภท โดยจำแนกได้ตามตัวกลางที่ใช้สร้างลำแสง เช่น Solid-State Laser, Semiconductor Laser และ Gas Laser ซึ่งหนึ่งใน Gas Laser ที่ถูกนำมาใช้ในภาคอุตสาหกรรมมาอย่างยาวนานคือ CO₂ Laser

Laser Gas หรือ Lasing Gas คืออะไร?

Laser Gas หรือ Lasing Gas คือแก๊สหรือส่วนผสมของแก๊สที่ทำหน้าที่เป็นส่วนหนึ่งของตัวกลางในการสร้างลำแสงในระบบ Gas Laser

สำหรับ CO₂ Laser โดยทั่วไปส่วนผสมของแก๊สประกอบด้วย Carbon Dioxide (CO₂), Nitrogen (N₂) และ Helium (He) ในสัดส่วนที่แตกต่างกันตามการออกแบบและ Specification ของ Laser Source แต่ละประเภท

CO₂ Laser ทำงานอย่างไร?

หลักการทำงานของ CO₂ Laser เริ่มจากการให้พลังงานแก่ส่วนผสมของแก๊สภายในระบบ โดยทั่วไปผ่าน Electrical Discharge ทำให้โมเลกุลของ Nitrogen (N₂) ได้รับพลังงานและสามารถถ่ายเทพลังงานไปยังโมเลกุลของ Carbon Dioxide (CO₂)

เมื่อโมเลกุล CO₂ อยู่ในระดับพลังงานที่เหมาะสม จะเกิดกระบวนการ Stimulated Emission และปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของ Photon จากนั้นแสงจะถูกขยายภายใน Laser Resonator จนเกิดเป็นลำแสง Laser ที่มีความเข้มสูง

สำหรับ CO₂ Laser เส้นการปล่อยรังสีที่สำคัญและใช้กันอย่างแพร่หลายในงานอุตสาหกรรมอยู่ในช่วง Infrared โดยมีความยาวคลื่นหลักบริเวณ 10.6 µm (ไมโครเมตร) ซึ่งเป็นรังสีที่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า

ลำแสงดังกล่าวสามารถนำไปควบคุมและโฟกัสพลังงานลงบนพื้นที่ขนาดเล็กของชิ้นงาน จึงเหมาะสำหรับกระบวนการต่าง ๆ เช่น การตัด การแกะสลัก และการแปรรูปวัสดุด้วย Laser

ดังนั้น ในระบบ CO₂ Laser คุณสมบัติของ Laser Gas Mixture ทั้งชนิดของแก๊ส สัดส่วน ความบริสุทธิ์ และสิ่งปนเปื้อน จึงเป็นปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพและความเสถียรของ Laser Source โดยควรเลือก Gas Specification ให้ตรงตามข้อกำหนดของผู้ผลิตเครื่องแต่ละรุ่น

CO₂ Laser ใช้แก๊สอะไรบ้าง?

สำหรับ CO₂ Laser ส่วนผสมของแก๊สที่ใช้ในการสร้างลำแสง หรือที่เรียกว่า Laser Gas / Lasing Gas Mixture โดยทั่วไปประกอบด้วยแก๊สหลัก 3 ชนิด ได้แก่ Carbon Dioxide (CO₂), Nitrogen (N₂) และ Helium (He) โดยแก๊สแต่ละชนิดมีหน้าที่แตกต่างกันในกระบวนการสร้างลำแสง Laser

สัดส่วนและความบริสุทธิ์ของแก๊สที่ใช้จะแตกต่างกันตามการออกแบบของ Laser Source และข้อกำหนดของผู้ผลิตเครื่องแต่ละรุ่น

1. Carbon Dioxide (CO₂) – แก๊สหลักในการสร้างลำแสง Laser

Carbon Dioxide (CO₂) เป็น Active Laser Medium ที่สำคัญของ CO₂ Laser โดยโมเลกุล CO₂ ที่ได้รับการถ่ายเทพลังงานจะเข้าสู่ระดับพลังงานที่เหมาะสม และเกิดการปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสีอินฟราเรดผ่านกระบวนการ Stimulated Emission

CO₂ Laser มีเส้นการปล่อยรังสีที่สำคัญบริเวณความยาวคลื่น 10.6 µm และสามารถสร้าง Laser Output ที่มีกำลังสูง จึงถูกนำมาใช้ในงานอุตสาหกรรม เช่น Laser Cutting, Laser Engraving และการแปรรูปวัสดุ

อย่างไรก็ตาม แม้ CO₂ จะไม่ได้จัดเป็น Toxic Gas เช่นเดียวกับ Carbon Monoxide (CO) แต่ CO₂ ในความเข้มข้นสูงสามารถทำให้เกิดอันตรายต่อผู้ปฏิบัติงานได้ จึงยังต้องมีการควบคุมการใช้งานและการระบายอากาศอย่างเหมาะสม

2. Nitrogen (N₂) – ช่วยถ่ายเทพลังงานให้ CO₂

Nitrogen (N₂) มีบทบาทสำคัญในการถ่ายเทพลังงานให้กับโมเลกุล CO₂

เมื่อ N₂ ได้รับพลังงานจากการกระตุ้นทางไฟฟ้า โมเลกุล N₂ จะเข้าสู่สถานะพลังงานสูง และสามารถถ่ายเทพลังงานดังกล่าวไปยังโมเลกุล CO₂ ทำให้ CO₂ อยู่ในระดับพลังงานที่เหมาะสมสำหรับการเกิด Stimulated Emission

ด้วยเหตุนี้ Nitrogen จึงเป็นส่วนประกอบสำคัญของ CO₂ Laser Gas Mixture และช่วยสนับสนุนประสิทธิภาพของกระบวนการสร้างลำแสง Laser

3. Helium (He) – ช่วยถ่ายเทความร้อนและรักษาประสิทธิภาพของระบบ

Helium (He) มีคุณสมบัติในการนำความร้อนที่ดี จึงมีส่วนช่วยถ่ายเทความร้อนออกจาก Gas Mixture ภายในระบบ

นอกจากนี้ Helium ยังมีบทบาทช่วยให้โมเลกุล CO₂ กลับสู่ระดับพลังงานที่ต่ำลงหลังจากการปล่อยพลังงาน ทำให้สามารถรักษากระบวนการสร้างลำแสงให้ดำเนินต่อไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ด้วยบทบาทที่แตกต่างกันของแก๊สทั้งสามชนิด CO₂ + N₂ + He จึงเป็นส่วนผสมพื้นฐานที่พบได้ใน CO₂ Laser หลายประเภท

แล้ว CO, H₂ และ Xe ใช้ใน Laser Gas หรือไม่?

นอกจาก CO₂, N₂ และ He แล้ว ยังมีแก๊สอีกหลายชนิดที่ถูกนำมาใช้ใน Gas Laser และ Laser Technology บางประเภท แต่ไม่ควรถือว่าเป็นส่วนประกอบมาตรฐานของ CO₂ Laser Gas ทุกระบบ

Carbon Monoxide (CO)

Carbon Monoxide (CO) สามารถใช้เป็น Active Medium ใน CO Laser ซึ่งเป็น Gas Laser อีกประเภทหนึ่งที่แตกต่างจาก CO₂ Laser และสามารถสร้างรังสีในช่วง Infrared ได้

ดังนั้น CO ไม่ควรถูกระบุโดยทั่วไปว่าเป็นแก๊สที่เติมเข้าไปใน CO₂ Laser เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพหรือทำให้ลำแสงมีความเสถียรมากขึ้น เว้นแต่ผู้ผลิต Laser Source จะกำหนดไว้สำหรับระบบนั้นโดยเฉพาะ

นอกจากนี้ CO เป็น Toxic Gas จึงต้องมีมาตรการควบคุมด้านความปลอดภัยที่เหมาะสม

Hydrogen (H₂)

Hydrogen (H₂) ถูกนำมาใช้ใน Laser Technology เฉพาะบางประเภท รวมถึง Chemical Laser บางระบบ เช่น Hydrogen Fluoride (HF) Laser

อย่างไรก็ตาม H₂ ไม่ใช่ส่วนประกอบหลักของ CO₂ Laser Gas Mixture ทั่วไป และเนื่องจาก Hydrogen เป็นแก๊สไวไฟ การนำไปใช้ต้องพิจารณาความปลอดภัยและข้อกำหนดของระบบโดยเฉพาะ

Xenon (Xe)

Xenon (Xe) เป็น Noble Gas ที่ถูกนำมาใช้ใน Laser Technology หลายรูปแบบ เช่น ระบบ Excimer Laser บางประเภท รวมถึงระบบ Laser เฉพาะทางอื่น ๆ ที่ต้องการคุณสมบัติของรังสีหรือความยาวคลื่นเฉพาะ

อย่างไรก็ตาม Xenon ไม่ได้เป็นส่วนประกอบมาตรฐานของ CO₂ Laser Gas Mixture

สรุป CO₂ Laser Gas ประกอบด้วยแก๊สอะไร?

สำหรับ CO₂ Laser Gas แก๊สหลักที่ควรให้ความสำคัญคือ

CO₂ → เป็น Active Laser Medium และเกี่ยวข้องโดยตรงกับการสร้างรังสี Laser

N₂ → รับและถ่ายเทพลังงานไปยังโมเลกุล CO₂

He → ช่วยในการถ่ายเทพลังงานและความร้อน รวมถึงช่วยให้ระบบสามารถรักษากระบวนการสร้างลำแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ส่วนแก๊สอื่น เช่น CO, H₂ หรือ Xe มีการใช้งานใน Laser Technology บางประเภท แต่ไม่ควรถือว่าเป็นส่วนประกอบมาตรฐานของ CO₂ Laser

ดังนั้น ก่อนเลือก Laser Gas Mixture ควรตรวจสอบ ชนิดของ Laser Source, สัดส่วนแก๊ส (Gas Concentration), ความบริสุทธิ์ (Purity) และข้อกำหนดด้าน Impurities ตาม Specification ของผู้ผลิตเครื่อง Laser แต่ละรุ่น

สัดส่วนของ CO₂, N₂ และ He ใน Laser Gas ต้องเป็นเท่าไร?

สัดส่วนของแก๊สใน CO₂ Laser Gas Mixture ไม่มีอัตราส่วนเดียวที่สามารถใช้ได้กับเครื่อง Laser ทุกประเภท เนื่องจากขึ้นอยู่กับ การออกแบบของ Laser Source, กำลังของเครื่อง, ระบบกระตุ้นแก๊ส และ Specification ที่ผู้ผลิตกำหนด

โดยส่วนผสมหลักของ CO₂ Laser โดยทั่วไปประกอบด้วย Carbon Dioxide (CO₂), Nitrogen (N₂) และ Helium (He) ซึ่งแก๊สแต่ละชนิดทำหน้าที่แตกต่างกันในกระบวนการสร้างลำแสง Laser

ดังนั้น การกำหนดสัดส่วนของ CO₂ : N₂ : He ควรอ้างอิงจาก Gas Specification ของผู้ผลิต Laser Source มากกว่าการใช้อัตราส่วนมาตรฐานเพียงค่าเดียว เพราะการใช้ส่วนผสมที่ไม่เหมาะสมอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพ ความเสถียรของ Laser Output และอายุการใช้งานของระบบ

ทำไมความบริสุทธิ์ของ Laser Gas จึงสำคัญ?

นอกจากสัดส่วนของแก๊สแล้ว ความบริสุทธิ์ (Gas Purity) และปริมาณสิ่งปนเปื้อน (Impurities) ใน Laser Gas ก็เป็นปัจจัยสำคัญต่อการทำงานของระบบ

สิ่งปนเปื้อน เช่น Moisture (H₂O), Oxygen (O₂) และสารปนเปื้อนอื่น ๆ อาจส่งผลต่อคุณสมบัติของ Gas Discharge ประสิทธิภาพ และความเสถียรในการทำงานของ Laser Source

สำหรับค่าความชื้นหรือ H₂O Content ไม่ควรกำหนดว่า “ต้องไม่เกิน 5 ppm” สำหรับ CO₂ Laser ทุกระบบ เนื่องจากข้อกำหนดด้าน Impurities แตกต่างกันตามผู้ผลิตและประเภทของ Laser Source

หากผู้ผลิตกำหนด เช่น H₂O ≤ 5 ppm จึงควรเลือก Laser Gas ที่สามารถควบคุมและรับรองค่าความชื้นให้อยู่ภายใน Specification ดังกล่าว

Laser Gas Mixture สามารถกำหนดส่วนผสมเฉพาะได้หรือไม่?

Laser Gas สามารถจัดเตรียมในรูป Pre-mixed Gas ซึ่งผสมแก๊สตามสัดส่วนที่กำหนดไว้ล่วงหน้า หรือจัดทำเป็น Custom Gas Mixture ตาม Specification ของเครื่องและกระบวนการใช้งาน

ก่อนเลือก Laser Gas ควรตรวจสอบข้อมูลสำคัญ ได้แก่ ชนิดของแก๊ส (Gas Composition), สัดส่วนของแก๊ส (Concentration), ความบริสุทธิ์ (Purity), ค่า Impurities รวมถึงข้อกำหนดของผู้ผลิต Laser Source

สำหรับ Gas Laser ประเภทอื่น ส่วนผสมของแก๊สจะแตกต่างจาก CO₂ Laser เช่น He-Ne Laser ซึ่งใช้ Helium และ Neon เป็นแก๊สหลัก ขณะที่ Excimer Laser ใช้ Gas Mixture ที่แตกต่างกันตามชนิดของ Excimer และความยาวคลื่นที่ต้องการ

ดังนั้น การเลือก Laser Gas หรือ Lasing Gas Mixture ที่เหมาะสมจึงไม่ควรพิจารณาเพียงชนิดของแก๊ส แต่ต้องพิจารณาทั้ง Composition, Concentration, Purity และ Impurity Specification ให้ตรงกับข้อกำหนดของ Laser Source แต่ละระบบ