CO2激光器未來的曙光是什么?

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

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CO2 激光器由 C. Kumar N.Patel 于 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,依然在市場上生存并繼續繁榮。


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范圍內,是常用的大氣傳輸窗口;圖(b)顯示了9個不同的CO2同位素的頻率和波長范圍。


CO2 激光器可以提供從毫瓦到上萬瓦的功率范圍,可用于制造儀器設備,也可以用于強力切割。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 位數字碼打印,到德國的奔馳汽車零件焊接。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,并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。


量子級聯激光器能產生 2~12μm范圍的波長,并且體積更加緊湊,已成為光譜學應用中的一個重要工具。然而,許多位于 8~12μm 長波紅外波段的傳感、光譜敏感的工業和醫療應用,需要更高的功率、更好的光譜純度、極好的相干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。


這些因素標志著“按瓦論價”的時代已經結束 ;在按瓦論價的時代,公司生產特定平均功率、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涌現,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并推廣 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,用于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:用于產生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


在與激光干涉引力波天文臺(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,以至于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。任何光子被干涉儀光學器件吸收,即便是三百三十萬分之一,都會使光學元件畸變,并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,并且能提供很高的光譜純度和功率穩定性。如果沒有這些,他們的測量系統會增加很多噪聲。


為滿足 LIGO 精確的專用需求,我們開發了單波長穩定的CO2 激光器,適用于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設備中用于糾正光學畸變


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的光具有很強的吸收能力(見圖 4)。研究表明,CO2 激光器是唯一能適用于口腔硬組織和軟組織處理、并且還能預防齲齒的激光器。


雖然其他波長,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,但是基于 9.3μm 脈沖 CO2激光器的商業牙科設備,現在已經上市用于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。所謂柔性包裝,即使用新型塑料材料,并且現場創建,能完全符合特定貨物的需求。


這種新型柔性包裝重量更輕,并能安全地生物降解,既降低了運輸和包裝的成本,又減少了對環境的污染,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,并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 光譜范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于 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言,過于昂貴。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


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