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                CO2激光器未來的曙光是什麽?

                來源:Yong Zhang,Tim Killeen;大通激光    關鍵詞:激光器, co2激光器, 高功※率激光器,    發布時間:2018-12-27

                設置字體:

                CO2 激光器由 C. Kumar N.Patel 於 1964 年在貝爾實驗室發明,其在日新月異的光▅電行業中堪稱一項古老的技術。盡管出現的時間較長,但是 CO2 激光技術憑借著其獨特】的波長、功率和光譜純度,依然在市場上生存並繼續繁榮。


                因』為很多天然材料和合成材料在9~12μm 具有很強的吸收峰,而這恰好是 CO2 激光器的輸○出波長所處的波段,這為 CO2 激光器在材料加工和光譜分析領域提供了大量機會。這個波段也包含⊙在大氣傳輸窗口內,因此也是很多傳感和測距應用的理想選擇(見圖 1)。


                典型的 CO2 激光不過一旦留下器由含有 CO2分子的混合氣體產生氣體︾放電而形成。因為分子振動和轉動的能級非常接近,CO2 分子在這些能√級之間躍遷產生的光子與可見光和近紅外光相比,能量更低,波長更長。

                圖1:圖(a)顯示了CO2激光器的光譜在電磁波譜線的紅框範圍內,是常用的大氣傳輸死神鐮刀猛然出現在他手中窗口;圖(b)顯示了9個不同的CO2同位素的頻∏率和波長範圍。


                CO2 激光器可以提供從毫瓦到上萬瓦的功率範圍,可用六個角分散開來於制造儀器設備◤,也可以用於強力切割。因為 CO2激光器有很高光譜純度,線寬可達1kHz 以★下而不必犧牲功率,轉換效率可達 10%。這些特點使得 CO2 激光器能夠勝◤任材料加工領域的新應用、激光測距和雷達、熱像視覺輔助及靶向醫療等應用。


                自被發明幾十◣年來,已經有無數CO2 激光器應用到醫療、制造及科研領域↓,從中國高速礦泉水瓶生產線上的 4 位數字碼打你們不能被發現印,到德國的奔馳汽ㄨ車零件焊接。即使在今天光纖激光器正在侵蝕著 CO2 激光器的大量≡市場、以及量子級聯∞激光器不斷開創新領域的情況下,如果 CO2 激光器向著黑蛇部落之中專用領域發展,其仍然會在市場上贏得廣泛應用№。


                挑戰競爭


                盡管擁有這些長期優勢,但是 CO2 激光器已經〇在一些方面遭遇挑戰。光纖激光器和量子級聯激光器已經擴展到了很多之前由 CO2 激光器主導的【應用領域。


                在工業應用中,高功率光纖激光器能提供更高的效率、其能量能被金屬材料更好地吸◎收,並且更加具有成本優勢。然而,CO2 激光器仍然是加工很多非金屬材料的唯●一方式,因為這些材料不能吸收光纖激光器的近紅外波長神色。


                量子級聯激光↑器能產生 2~12μm範圍的波長,並且體積更加緊湊,已成為光譜學應用中的一個重要@工具。然而,許多位於 8~12μm 長波紅外波段的傳感、光譜敏感的工業和有去找尋神草醫療應用,需要〖更高的功率、更好的光譜純度、極好的相幹性和穩♀定的空間模式,這些只有 CO2 激光器可以實現。


                除了技術上的挑戰,中國不斷擴張的激光產業也導ξ 致價格越來越低。標準的 CO2 激光器正迅速商品化,進入門⌒ 檻和利潤都急速下降。三年前,中國公司購買美國制造的 30W CO2激光器需要 4500 美元 ;而現在,國產 CO2 激光器進♀入市場,將價格拉低到 2000 美元。


                這些因素標誌著“按瓦論價”的時代已經結⊙束 ;在按瓦論價的時代,公司生產你特定平均功率、能適用≡多個領域的激光器,價格與瓦數成正比。采用這種策略,一些高度成功︼的公司如 Synrad、Coherent 和 Rofin等公司,能提供功率從幾瓦到上萬瓦的 CO2 激光器系∏列,這也使得 CO2 激光器在塑ㄨ料加工廠、牙科診所、手機裝配線等領域獲得了廣泛應用。


                盡管 CO2 激光》器作為“對所有用途一刀切解決方案”的競爭方式已經結束,但是隨著新材料加工的湧現,以及日益嚴格的♂工業和科研加工要求,這些均需要新的專用激光器,需要對激光器真正的價值主◤張有更深的技術理解,需要一種完全不同的方式制造並推廣 CO2 激光器。CO2 激光器正在應對這些新的▃挑戰。


                在制造方面,這種新的模式需要調整 CO2 激光ぷ器的各種指標,密切配合客戶的特定需求。在市場方面,從之前的平均功╱率和“按瓦論價”的價值主張,轉變為就已經夠了客戶定制化解決方案,根據〗特定的材料和應用需要,設計激光器的脈沖形狀、峰值功率、專用波長和工作穩定性。


                極紫外』光刻


                在嘗試拓展摩爾定律時,CO2 激光器被認為是通過激光生成等離子體(LPP)產生極紫¤外(EUV)輻射的最佳工具。這種 13.5nm 的 EUV 光是通過蒸發錫的熔融液滴@ 產生的。針對這項應用也測試了 Nd:YAG 等其他激光器,結果表明它『們在產生更高速、高質量等離子體屬性的光學薄羽流方面,效率更低,這是因為錫對 CO2 激光器照射具■有更高的反射率。


                為了產生 EUV 光,CO2 激光器需要提供一連串波長 10.6μm、光學質量近乎完美、高〓速且完全相同的脈沖,具有半導體行業所要求的清潔度、精確度和可重復性。


                為了︽滿足這些嚴格的要求,用於EUV 的 CO2 激光器從原材料處理到最終測試(見圖 2)的所有工序,都完全在 ISO Class 7 級別的潔︻凈室內進行。每臺激光器都通過 12 小時的連續開機測試,完全符合測試〓規格,因為任何偏差都可能導致數千枚半導體芯※片的失敗。


                圖2:用於產生EUV光的CO2激光器

                正□ 在一座現代化制造工廠中接受嚴格測試


                糾正LIGO光學元件畸變


                在與激光幹涉引力▲波天文臺(LIGO)引力波探測機構長達十幾年的項目合作中,我們提供了關鍵技術來協助驗證引力波的存◣在。雖然愛因斯坦在很早之→前就已經預測了引力波的存在,但⊙它們的理論信號太小,以至於他懷疑是否能建立具備足夠高靈敏度的裝置,進而探測到↑如此微小的宇宙雜音。


                LIGO 的科學家遇到了一個非常特殊的問題。任何光子被幹涉儀光學器件吸收,即便是三百三十▲萬分之一,都會使光學元件畸變,並且產生的熱噪聲足以覆蓋他們需要探〒測的信號。雖然LIGO 設計的光學器件已經考慮到了熱畸變因素,但在探測時,他們需要實→時的微調來匹配主光束的功率和每個光學器件的個體差異。


                CO2 激這九九光器是微調光學元件的合理方案,因為其光束◥可以被 LIGO 光學元件高度吸收,並且能提供很高的光譜純度和功卐率穩定性。如果沒有這些,他們的測量系統會增加很多噪聲。


                為滿足 LIGO 精確的專用身份都不敢承認了需求,我們開發▓了單波長穩定的CO2 激光器,適用於實時自適應系統中的精密控制回路,可以精確補償主工作◆光束熱效應造成的光學元件畸變(見圖 3)。當熱畸變補償不足時,CO2 激光器光束整形為環狀提供額外↙補償(過熱糾正);當補償過度時, CO2 激光器光束整形為在光學元件中心像盤≡子樣的圓斑,來削弱補償(欠熱糾正)。


                圖3:CO2激光器在LIGO設備中用於糾正光學畸變


                牙科手術


                最近,科學家發現人⌒類硬組織(骨頭和牙齒)對 9.3~9.6μm的光具有跑很強的吸收能力(見圖 4)。研究表明,CO2 激光器是唯一能適用於口腔硬∮組織和軟組織處理、並且還能預防齲齒的激光器。


                雖然Ψ 其他波長,如2.94μm 也能處理軟組織和硬組織,但是只有CO2 激光器㊣ 能在 9.3μm 和 9.6μm 波長提供額外的齲◥齒預防和清除功能。加州大學舊金山分校牙科學院院長John Featherstone 教授,將這一發現稱為激光◢牙科新時代的曙光。


                脈沖能量幾毫焦、脈沖寬度5~20μs 且能數千小時可靠運行的 CO2激光器,非常適合↓醫療點牙科手術和牙科治療。雖然這項技術還遠未被大規模采用,但是基於 9.3μm 脈沖 CO2激光器的商業牙科設備,現在已經上市用於╳牙科硬組織和軟組織治療。


                圖4:牙釉質紅外透射譜線顯示在9.6μm處有強吸收

                這與CO2激光器的譜線重∞疊


                加工新材料


                隨著制造業繼續向全過程自動化發展的全球趨①勢,激光器正在改變一些傳統加工方式的價值主張,如包裝行♂業中材料的刀切和沖壓。亞馬遜等一些公司,正在驅動一場從“傳統的固定尺寸的紙箱包☉裝方式”到柔性包裝的變革。所謂第六百八十五柔性包裝,即使∏用新型塑料材料,並且現場創建,能完全符合特Ψ定貨物的需求。


                這種新型柔性包裝重量更輕,並能安全地生物降解,既降低了運輸和∴包裝的成本,又減少了對環境的▽汙染,這是亞馬遜未來重要的績效指標。這種】轉變能夠實現,是因為激光與刀具不同,它們不會變鈍,並且能提供遠超〖過機械系統的可重復性和精確性。


                新型多層塑料在 CO2 光譜範圍內某∑個特殊譜線處,具有很強的吸收峰,或者在切割過程中,塑∩料層一層層移動時,要求激光器的波長能隨之變化。代替大型切割系統需要一個你現在還有把握對付別人激光器陣列∑ 來實現消融,且幾乎不產生熱影響區,同時能以每秒移動數百英尺來切割很大的←幅面。滿足這種特殊應用的激光器,需要在單個譜線上具有很☆高精度,峰值功率與平均功率比值大於 100:1 甚至更高,而且脈沖頻率非常高(>10kHz)。



                傳統上,如此高的峰值□功率和重復頻率需要 Q 開關●或其他外在調制技術,這對要求成本效益的包裝行業大規模部署而ζ言,過於昂貴。相比之下,我們正在開發的 CO2 激光器體積小巧,無需外部調制就能獲得上〖千瓦的峰值功率,能很好地滿足包裝行業的需求。實際上,制造、醫療和材料科學領域的最新趨勢,都在推動 CO2激光∮器從過去半個世紀以來的“按瓦論價”的價值主張,演進到“以客戶為中心、量身定制”的新時代。


                來源:文/Yong Zhang,Tim Killeen;大通激光