Nechceme hluboce zasahovat do kvantové fyziky, ale pouze nastínit několik zajímavých vlastností principu laseru. Základní vlastností elektromagnetického vlnění, základu světla, je, že s rostoucí energií vyzářených fotonů se bude zkracovat vlnová délka.

Jinak řečeno nejmenší fotonovou energii má největší vlnová délka radiové vlny. Potom směrem od nejmenší k největší jsou vlny mikrovlnné, sub-milimetrové, infračervené, viditelné, ultrafialové, rentgenové a gama paprsky (s největší fotonovou energií a nejkratší vlnovou délkou).

Principem je dostat elektron z jedné valenční vrstvy 1 na vyšší 3. Tím získá energii a sám nechce zůstat na této úrovni, držíme ho zde buzením plynu. Následně při klesání z vyšší valenční vrstvy 3 do vrstvy 2 se vyzařuje energie ve formě fotonu. To je to světlo vycházející z laseru. Fotony se řadí k sobě a my nechceme mít spontánní emisi fotonů, ale zcela řízenou kontrolu nad emisí fotonů, abychom mohli ovládat laser.

Zde je důležitý poznatek, že podle energie fotonů buď paprsek vidíme nebo ne (je v jiném pásmu, infračervené, ultrafialové apod.). Jdeme-li do důsledku, pak závisí i barva paprsku na vlnové délce. Paradoxně nejmenší výkon a tedy nejblíže k infračervené oblasti má barva paprsku červená, největší má fialová (nejblíže ultrafialovému záření).

Následně fotony směřujeme v rezonanční dutině mezi dvěma zrcadli tak, aby se energie koncentrovala a stala se koherentní. V rezonančním obvodu se zesílí tok fotonů a překoná polopropustné zrcadlo (odrazivost okolo 99,9%). Zajímavostí je, že směr prvního fotonu určuje směr následujícího fotonu (dle matematicko fyzikální teorie je znám směr budoucího fotonu ještě před tím než sám foton vzniknul). Tím, že se fotony mají tak rádi a následují svoji společnou cestu, dochází k jejich stejnoměrnému nasměřování, tedy koherenci. Koherentní paprsek má minimální rozbíhavost, to znamená, že na velmi velkou vzdálenost má stále skoro stejný průměr (průměr se téměř nezvětšuje). Tato koherence má velmi velkou energii, kterou lze pomocí optiky vhodně koncentrovat do malého bodu, což se pak nazývá spot laseru. Excelentní koherence paprsku, monochromatičnost paprsku, jediný směr záření, toto jsou vlastnosti, které lze využít pro zaostření paprsku do velmi malého bodu a tedy koncentrovat energii. Vytváří se světelná energie s vysokou hustotou na malém bodě. Je možné tak koncentrovat laserové záření přes optiku, téměř na difrakčním limitu, což u přírodního světla nelze. Difrakční limit zde existuje, protože lze koncentrovat optikou světlo menší jak je jeho vlnová délka. U CO₂ laserů pro značení dosahuje hodnoty okolo 0,2mm u vláknových laserů je zaostřený bod (ve fokusaci) 0,01mm, čímž docílím velkou koncentraci výkonu na malý bod. Kompaktní lasery jsou také nazývány slab CO₂ lasery s vysokofrekvenčním RF buzením a velkoplošnými měděnými elektrodami.

Teplo, které vzniká mezi elektrodami, se musí odvádět a tedy chladit. Do výkonu 55 W je chlazení většinou vzduchem, ale výkony nad 100 W už mají chlazení vodou. Vyšší teplota by poškodila rezonanční komoru, hlavně polohu a zakřivení odrazivých zrcátek a tím pádem by klesnul výkon laseru. Plyn v laserech pro značení o výkonech 10 W až 150 W se nemění, zůstává stejný od výrobce a vydrží běžně v laseru 8 až 10 let.

I když princip laseru je značně složitější než zde popisujeme, tak jednoduše jde o trubici s vhodným aktivním prostředím, většinou CO₂ plynem. Konce trubice jsou doplněny o dvě rovnoběžná zrcadla. Vzdálenost mezi zrcadly tvoří tzv. rezonátor, mezi nímž je aktivní prostředí. Jedno ze zrcadel je polopropustné. Nyní spustíme laser. V aktivním prostředí první inicializační spontánní foton strhne při srážce s atomem nebo molekulou k hromadné indukované emisi. Atomy padají na nižší energetickou hladinu, což má za následek emitaci fotonů, tedy vyzáření energie. Nyní pomáhá optika zrcadel a odráží fotony zpět do aktivního prostředí a s každým průchodem strhne další řadu fotonů. Fotony šířící se jiným směrem než v ose rezonátoru opouští systém, zanikají. Tím tedy dojde ke koherenci paprsku fotonů a polopropustným zrcadlem na jednom konci opouštějí systém v téměř nerozbíhavém svazku. To je náš CO₂ laserový paprsek ke značení.

Popsaný princip CO₂ laseru se hodí spíše pro CW - continuous wave - kontinuální lasery, kdy paprsek stále vystupuje se stejnou intenzitou. Ale v průmyslu se častěji používají pulsní lasery s velkou výstupní energií a krátkým pulsem. Toho je dosaženo širším pásmem pro rezonanční komoru a více frekvencemi v pásmu. Jednotlivé frekvence musí být ve fázi s hlavní frekvencí. Následně dochází ke sčítání více frekvencí tak, že vzniká puls o vyšší energii a krátkém trvání. Takto jednoduše popsáno vznikne pulsní laser. Pokud chceme ještě vylepšit kvalitu pulsu, použije se součástka nazývaná Quality switch nebo taky Q-switch (foneticky kjů svitč).

Trubice s aktivním plynem CO₂ je o průměru asi 10 až 20 mm, její délka je okolo 0,5 až 1 m. Je možné také použití dvou rovnoběžných trubic poloviční délky, na jednom konci spojené zrcadly pod úhlem 45°. Sníží se tím konečná délka laserové trubice téměř na polovinu. Paprsek bývá většinou infračervený (10,6 µm, ale i 9,3 µm nebo 10,2 µm apod.) a trvalý výkon je běžný do 200 W. Pro značení se používá nejčastěji 10 W nebo 30 W výkonu. Neopomeňme vlastnosti plynu, ty jsou neuvěřitelné, protože CO₂ laser nemá velké nároky na čistotu plynu a příměsi plynů jako xenon, helium a vodní pára jeho výkon ještě zvyšují. Nejčastěji se používá z větší části Helium (dobře vede teplo) a pak se přidává CO₂ plyn jako aktivní prvek a dále dusík. V tomto mixu plynů dochází k výboji, který přesune elektrony do excitovaného stavu. Vlnová délka nejčastěji pro značení je 10,6 µm nebo také 9,3 µm pro CO₂ laser. Největšími výrobci jsou Synrad a Coherent, laserové zdroje od těchto výrobců používá Solaris. Elektrická efektivita je 10 až 20%, což znamená, že zbytek elektrické energie se přemění na teplo a je nutné jej odvádět.
CO₂ lasery patří mezi nejvýkonnější typy laserů vůbec (dosahují výkonu až 20 kW). CO₂ laser je velmi rozšířený v průmyslu, a to hlavně při zpracování plechů, kdy je díky své vlnové délce 10,6 µm a možnosti svařování či řezání oceli (až 45 mm) téměř nenahraditelný. Používá se zde stále protékající aktivní CO₂ plyn přes rezonanční optický obvod a je zde tedy velká spotřeba plynu. Díky své vlnové délce je při dobré absorpci často využíván při zpracování organických (kůže, papír, dřevo atd.) či polymerních materiálů. Nevýhodou vlnové délky je vedení laserového paprsku, kdy nelze využít vlákno, které se velmi hojně využívá na robotických aplikacích. U CO₂ laserů se k vedení používá jen zrcátek. Aplikace, kdy můžeme efektivně umístit CO₂ laser na robotické rameno již existují, ale vlivem vláknových laserů se k této aplikaci přistupuje jen ve velmi specifických případech (velmi hladký 3D řez). Vedení paprsku je pak dutou vysoce odrazivou "hadicí" nahrazující vlákno. Nepočítá se, že by toto problémové vedení nahradilo vláknové lasery.

Vychylovací systém je tvořen soustavou dvou zrcadel umístěných tak, aby docházelo k vychylování v obou osách (XY). Tomuto způsobu se říká PEN TYPE. Tento princip byl představen v roce 1969, ale až v 80. letech byl představen s CO₂ kontinuálním laserem, tedy laser co má stálý výkon po celou dobu jeho pracovního cyklu, tedy žádné krátké pulsy s velkými časovými mezerami.

Princip je jako kreslení perem, tedy laser značí přesně, jako když kreslíme perem, při přemístění na jinou polohu pero nadzvedneme a zde laser vypneme a zapneme jej až s „dotykem pera" povrchu a zase značíme a to vektorově, tedy plynule ve dvou osách díky vychylovacím zrcátkům pro každou osu. Za vychylovací soustavou zrcátek je optika, která soustřeďuje laserový paprsek do ohniska. Volbou typu optiky měníme velikost značeného povrchu a také i vlastnosti značení (tloušťka čáry a krok, neboli vzdálenost mezi další čárou, něco jako rozlišení). Skenovací hlavě s dvěma galvo motory / aktuátory se říká vektorová skenovací hlava, nebo rozmítaná skenovací hlava. Navádění paprsku se děje po vektorech s velmi vysokou přesností a rychlostí.
Princip je znám jako Steered Beam Lasers. Výhodou je velmi kvalitní značení do velikosti 400x400 mm. Protože je zaostřen paprsek přes optiku a v jejím ohnisku dosahuje maximální intenzity, tak není nutné použít laser o velmi velkém výkonu. Proto systému stačí relativně levná laserová trubice s výkonem 10 až 100 W a vzduchem chlazený systém.

Tvar paprsku z rezonančního obvodu je často čtvercový (obdélníkový) a je optickým systémem transformovaný na kruhový s požadavkem nejvyššího výkonu ve středu paprsku (gaussové rozložení výkonu). Rezonanční obvod má různé tvary odrazivých zrcadel od rovinných až po vypouklé (používají se častěji). Laserový paprsek může být polarizovaný nebo může mít náhodnou polarizaci (výhodné pro řezání a dělení materiálů).
Kvalita paprsku závisí jak na kvalitě laserového zdroje, tedy tam, kde se paprsek vytváří (dutina s optickým rezonátorem, tvořená odrazivými zrcadly), ale také na způsobu vytvořené rezonanční dutiny. Zrcátka mohou být rovnoběžná nebo zakřivená. Následně optika upravuje vlastní paprsek do požadovaného průměru a vlastností. Lze tak mít rozbíhavý paprsek nebo velmi úzký a koncentrovaný paprsek, vše dle aplikace. Paprsek pak jde na výstupní optiku, která je tvořena čočkami ze ZnSe materiálu, často s nažloutlým povrchem. Některé optiky jsou zcela mléčné a neprůhledné pro lidské oko a viditelné spektrum (pro 10,6 µm jsou zcela transparentní). Tato výsledná optika zaostří paprsek do nejmenšího místa a bod / spot / je okolo 0,2 mm pro CO₂ značící lasery.
Existuje základní pravidlo pro návrh rezonančního obvodu ve vztahu k jeho tepelné stabilitě. Čím je větší průměr paprsku, tím je menší tepelné namáhání optického systému. Výsledkem je delší životnost laseru. Současně je další pravidlo - používejte v laseru co nejméně zrcátek a tím pádem bude systém levnější a stabilnější a bude mít i delší životnost. Rezonanční obvod nedávejte do skleněné trubice (Asijské lasery), ale do hliníkového monobloku a zvýší se tak životnost, díky snadnému odvádění tepla.

Dle tvaru rezonanční komory a počtu rezonančních zrcátek nazýváme V shape nebo Z shape CO₂ lasery. Pokud je rezonanční komora prodloužena dalším zrcadlem, tak dojde k jejímu zkrácení a tím i menším zástavbovým rozměrům. Naopak je potřeba takto malý prostor odchladit. Pokud je rezonanční obvod mezi zrcadly, z nichž poslední (výstupní) je polopropustné a pustí laserový paprsek, jen jakmile překoná určitou mez, tak hovoříme o opticky stabilním rezonančním obvodu. Pokud je ale soustava zrcadel 100% odrazivá a je navržena tak, že paprsek na konci mine poslední zrcadlo (respektive není zde poslední zrcadlo), tak nazýváme tuto soustavu opticky nestabilní. Nestabilní optický rezonátor je velmi náchylný na přesné polohování zrcátek a tak je velmi citlivý i na tepelnou stabilitu. Tato soustava je častěji použitá u RF generátorů CO₂ laserů s měděnými elektrodami v systému SLAB než u DC (stejnosměrným proudem) buzených CO₂ laserů. V průmyslových aplikacích, kde je vyžadována velká stabilita a dlouhodobá odolnost, tak je nutné zabezpečit konstantní teplotu laseru, bez velkých výkyvů.

RF buzení CO₂ laserů

Jeden ze způsobů přenosu energie do plynu je přes radio frequency RF. Ve většině RF laserů je výboj kolmý k ose rezonátoru. Tyto lasery lze regulovat modulací v širokém rozsahu výkonu a s pulzy s vysokou opakovatelností. Základní nevýhodou je snížená účinnost, ale to je stále přijatelné, zejména pro lasery vyšších výkonů, hlavně v porovnání s opotřebením stejnosměrných měděných DC elektrod (toto je jiný způsobu buzení, kdy výboj vzniká mezi dvěma měděnými elektrodami, bez RF generátoru).
Starší RF generátory se skládají z oscilátoru, který generuje frekvenci zesilovacího válce. Moderní generátory jsou koncipovány jako self-oscilátory a sestávají se pouze z RF zesilovacího válce. Díky své jednoduchosti, ve srovnání s oscilátor / zesilovač generátory, RF generátory poskytují zvýšenou spolehlivost s nízkými nároky na údržbu a dosažení vyšší účinnosti buzení s nízkými provozními náklady.
Existují systémy jako například od firmy Synrad, které kombinují dva polarizované laserové zdroje 25 W do jednoho laseru. Na výstupu je tak deklarovaný výkon 50 W a to s náhodnou polarizací, která je velmi výhodná například pro řezání materiálu. Jde o unikátní systémy, které se vyznačují malými rozměry, ale přitom vysokým výkonem. Zajímavostí je také oddělená elektronika, což má výhodu, když odejde jedna část ovládání trubice, tak druhá část může fungovat jako nouzový režim a pak je tedy i nouzově poloviční výkon laseru (nedojde k úplnému odstavení systému). Napájení bývá okolo 30 V DC pro laserovou trubici, ale proud pro 50 W laser je už 28 A, takže je potřeba odchladit 800 W, tedy už je nutné použít vodní chlazení. Ventilátory by to nezvládly při plném chodu a plné vytíženosti. 10 W laser má napájení také okolo 30 V DC, ale proud jen 7 A.

Zaostřovací vzdálenost laseru a hloubka zaostření

Lasery jako optické zařízení používají principu lomu světla a jeho focusaci / zaostření na povrch, kde se na malém bodě koncentruje značná energie pulzu. Pro značící lasery je smyslem zaostření paprsku na co nejmenší bod, kdy koncentrovaná energie pulzu pak způsobí změny povrchu materiálu.

U CO₂ laserů se používá Beam Expander, který rozšiřuje paprsek z laserového zdroje. Smyslem je mít co největší paprsek vstupující na zaostřovací výstupní optiku laseru. Laicky řečeno, čím větší paprsek vstupuje na optiku, tím lepšího zaostření dosáhneme, respektive je co zaostřovat. Proto Beam expandery mají standardně hodnoty zvětšení 1,5x až 6x. Běžně se používá zvětšení okolo 3x, kdy je nejlepší poměr cena a výkon. Paprsek laseru je v místě teoretického výpočtu nejmenší, ale v praxi se používá i oblast nad focusací a pod focusací (Pre focus / Post focus) a to do hodnot okolo ±4 mm. Sice se rozostří paprsek a pak je stopa větší, ale často pro značící systémy je to zcela dostačující, někdy naopak vyžadující, kdy koncentrace výkonu není na velmi malém místě, ale je rozložena na větší plochu, což tolik neovlivní materiál.

CO₂ lasery Solaris s vlnovou délkou 10,6 µm nebo 10,2 µm nebo 9,3 µm

Standardní vlnová délka CO₂ laseru je 10,6 µm. Na tuto vlnovou délku je naladěn rezonátor většiny běžně dostupných laserů pro značení, gravírování. Nicméně pro některé materiály je vhodnější zkrácená vlnová délka, jako je 10,2 µm nebo 9,3 µm. Největší rozdíly jsou viditelné pro PET materiál, čirou fólii nebo pro značení desek plošných spojů. Vlnová délka 10,6 µm dělá ostré a přesné značení, které je na PET materiálu jasně viditelné jako ostrá horká jehla, která projela povrchem PET materiálu a okraje plastu se vytlačí nahoru, takže pro dotek je materiál drsnější, je cítit struktura po značení laserem. Naopak 9,3 µm je opravdové zasažení laserovým paprskem, kdy viditelně označený text na PET materiálu je kontrastnější, bělejší, tlustější a přitom na dotek je hladší, jemnější, není tolik poškozen PET materiál. 9,3 µm napěnil PET materiál, což způsobilo malé bublinky v plastu, které dělají větší stopu, plochu po značení laserem. PET materiál není tolik poškozen do hloubky, je tedy více odolnější na vnitřní tlak v PET lahvích. Opticky se tak jeví text lépe čitelný, viditelnější a není potřeba hledat správného nasměrování na světlo a získat největší absorpci v lomu světla. Rozhodně pokud značíte PET materiál nebo desky plošného spoje, použijte lasery Solaris s vlnovou délkou 9,3 µm, tedy obchodní značkou Solaris Light.