CO2激光器未来的曙光是什么?

来源:Yong Zhang,Tim Killeen;大通激光    关键词:激光器, co2激光器, 高功率激光器,    发布时间:2018-12-27

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CO2 激光器由 C. Kumar N.Patel 于 1964 年在贝尔实验室发明,其在日新月异的光电行业中堪称一项古老的技术。尽管出现的时间较长,但是 CO2 激光技术凭借着其独特的波长、功率和光谱纯度,依然在市场上生存并继续繁荣。


因为很多天然材料和合成材料在9~12μm 具有很强的吸收峰,而这恰好是 CO2 激光器的输出波长所处的波段,这为 CO2 激光器在材料加工和光谱分析领域提供了大量机会。这个波段也包含在大气传输窗口内,因此也是很多传感和测距应用的理想选择(见图 1)。


典型的 CO2 激光器由含有 CO2分子的混合气体产生气体放电而形成。因为分子振动和转动的能级非常接近,CO2 分子在这些能级之间跃迁产生的光子与可见光和近红外光相比,能量更低,波长更长。

图1:图(a)显示了CO2激光器的光谱在电磁波谱线的红框范围内,是常用的大气传输窗口;图(b)显示了9个不同的CO2同位素的频率和波长范围。


CO2 激光器可以提供从毫瓦到上万瓦的功率范围,可用于制造仪器设备,也可以用于强力切割。因为 CO2激光器有很高光谱纯度,线宽可达1kHz 以下而不必牺牲功率,转换效率可达 10%。这些特点使得 CO2 激光器能够胜任材料加工领域的新应用、激光测距和雷达、热像视觉辅助及靶向医疗等应用。


自被发明几十年来,已经有无数CO2 激光器应用到医疗、制造及科研领域,从中国高速矿泉水瓶生产线上的 4 位数字码打印,到德国的奔驰汽车零件焊接。即使在今天光纤激光器正在侵蚀着 CO2 激光器的大量市场、以及量子级联激光器不断开创新领域的情况下,如果 CO2 激光器向着专用领域发展,其仍然会在市场上赢得广泛应用。


挑战竞争


尽管拥有这些长期优势,但是 CO2 激光器已经在一些方面遭遇挑战。光纤激光器和量子级联激光器已经扩展到了很多之前由 CO2 激光器主导的应用领域。


在工业应用中,高功率光纤激光器能提供更高的效率、其能量能被金属材料更好地吸收,并且更加具有成本优势。然而,CO2 激光器仍然是加工很多非金属材料的唯一方式,因为这些材料不能吸收光纤激光器的近红外波长。


量子级联激光器能产生 2~12μm范围的波长,并且体积更加紧凑,已成为光谱学应用中的一个重要工具。然而,许多位于 8~12μm 长波红外波段的传感、光谱敏感的工业和医疗应用,需要更高的功率、更好的光谱纯度、极好的相干性和稳定的空间模式,这些只有 CO2 激光器可以实现。


除了技术上的挑战,中国不断扩张的激光产业也导致价格越来越低。标准的 CO2 激光器正迅速商品化,进入门槛和利润都急速下降。三年前,中国公司购买美国制造的 30W CO2激光器需要 4500 美元 ;而现在,国产 CO2 激光器进入市场,将价格拉低到 2000 美元。


这些因素标志着“按瓦论价”的时代已经结束 ;在按瓦论价的时代,公司生产特定平均功率、能适用多个领域的激光器,价格与瓦数成正比。采用这种策略,一些高度成功的公司如 Synrad、Coherent 和 Rofin等公司,能提供功率从几瓦到上万瓦的 CO2 激光器系列,这也使得 CO2 激光器在塑料加工厂、牙科诊所、手机装配线等领域获得了广泛应用。


尽管 CO2 激光器作为“对所有用途一刀切解决方案”的竞争方式已经结束,但是随着新材料加工的涌现,以及日益严格的工业和科研加工要求,这些均需要新的专用激光器,需要对激光器真正的价值主张有更深的技术理解,需要一种完全不同的方式制造并推广 CO2 激光器。CO2 激光器正在应对这些新的挑战。


在制造方面,这种新的模式需要调整 CO2 激光器的各种指标,密切配合客户的特定需求。在市场方面,从之前的平均功率和“按瓦论价”的价值主张,转变为客户定制化解决方案,根据特定的材料和应用需要,设计激光器的脉冲形状、峰值功率、专用波长和工作稳定性。


极紫外光刻


在尝试拓展摩尔定律时,CO2 激光器被认为是通过激光生成等离子体(LPP)产生极紫外(EUV)辐射的最佳工具。这种 13.5nm 的 EUV 光是通过蒸发锡的熔融液滴产生的。针对这项应用也测试了 Nd:YAG 等其他激光器,结果表明它们在产生更高速、高质量等离子体属性的光学薄羽流方面,效率更低,这是因为锡对 CO2 激光器照射具有更高的反射率。


为了产生 EUV 光,CO2 激光器需要提供一连串波长 10.6μm、光学质量近乎完美、高速且完全相同的脉冲,具有半导体行业所要求的清洁度、精确度和可重复性。


为了满足这些严格的要求,用于EUV 的 CO2 激光器从原材料处理到最终测试(见图 2)的所有工序,都完全在 ISO Class 7 级别的洁净室内进行。每台激光器都通过 12 小时的连续开机测试,完全符合测试规格,因为任何偏差都可能导致数千枚半导体芯片的失败。


图2:用于产生EUV光的CO2激光器

正在一座现代化制造工厂中接受严格测试


纠正LIGO光学元件畸变


在与激光干涉引力波天文台(LIGO)引力波探测机构长达十几年的项目合作中,我们提供了关键技术来协助验证引力波的存在。虽然爱因斯坦在很早之前就已经预测了引力波的存在,但它们的理论信号太小,以至于他怀疑是否能建立具备足够高灵敏度的装置,进而探测到如此微小的宇宙杂音。


LIGO 的科学家遇到了一个非常特殊的问题。任何光子被干涉仪光学器件吸收,即便是三百三十万分之一,都会使光学元件畸变,并且产生的热噪声足以覆盖他们需要探测的信号。虽然LIGO 设计的光学器件已经考虑到了热畸变因素,但在探测时,他们需要实时的微调来匹配主光束的功率和每个光学器件的个体差异。


CO2 激光器是微调光学元件的合理方案,因为其光束可以被 LIGO 光学元件高度吸收,并且能提供很高的光谱纯度和功率稳定性。如果没有这些,他们的测量系统会增加很多噪声。


为满足 LIGO 精确的专用需求,我们开发了单波长稳定的CO2 激光器,适用于实时自适应系统中的精密控制回路,可以精确补偿主工作光束热效应造成的光学元件畸变(见图 3)。当热畸变补偿不足时,CO2 激光器光束整形为环状提供额外补偿(过热纠正);当补偿过度时, CO2 激光器光束整形为在光学元件中心像盘子样的圆斑,来削弱补偿(欠热纠正)。


图3:CO2激光器在LIGO设备中用于纠正光学畸变


牙科手术


最近,科学家发现人类硬组织(骨头和牙齿)对 9.3~9.6μm的光具有很强的吸收能力(见图 4)。研究表明,CO2 激光器是唯一能适用于口腔硬组织和软组织处理、并且还能预防龋齿的激光器。


虽然其他波长,如2。94μm 也能处理软组织和硬组织,但是只有CO2 激光器能在 9。3μm 和 9。6μm 波长提供额外的龋齿预防和清除功能。加州大学旧金山分校牙科学院院长John Featherstone 教授,将这一发现称为激光牙科新时代的曙光。


脉冲能量几毫焦、脉冲宽度5~20μs 且能数千小时可靠运行的 CO2激光器,非常适合医疗点牙科手术和牙科治疗。虽然这项技术还远未被大规模采用,但是基于 9.3μm 脉冲 CO2激光器的商业牙科设备,现在已经上市用于牙科硬组织和软组织治疗。


图4:牙釉质红外透射谱线显示在9.6μm处有强吸收

这与CO2激光器的谱线重叠


加工新材料


随着制造业继续向全过程自动化发展的全球趋势,激光器正在改变一些传统加工方式的价值主张,如包装行业中材料的刀切和冲压。亚马逊等一些公司,正在驱动一场从“传统的固定尺寸的纸箱包装方式”到柔性包装的变革。所谓柔性包装,即使用新型塑料材料,并且现场创建,能完全符合特定货物的需求。


这种新型柔性包装重量更轻,并能安全地生物降解,既降低了运输和包装的成本,又减少了对环境的污染,这是亚马逊未来重要的绩效指标。这种转变能够实现,是因为激光与刀具不同,它们不会变钝,并且能提供远超过机械系统的可重复性和精确性。


新型多层塑料在 CO2 光谱范围内某个特殊谱线处,具有很强的吸收峰,或者在切割过程中,塑料层一层层移动时,要求激光器的波长能随之变化。代替大型切割系统需要一个激光器阵列来实现消融,且几乎不产生热影响区,同时能以每秒移动数百英尺来切割很大的幅面。满足这种特殊应用的激光器,需要在单个谱线上具有很高精度,峰值功率与平均功率比值大于 100:1 甚至更高,而且脉冲频率非常高(>10kHz)。



传统上,如此高的峰值功率和重复频率需要 Q 开关或其他外在调制技术,这对要求成本效益的包装行业大规模部署而言,过于昂贵。相比之下,我们正在开发的 CO2 激光器体积小巧,无需外部调制就能获得上千瓦的峰值功率,能很好地满足包装行业的需求。实际上,制造、医疗和材料科学领域的最新趋势,都在推动 CO2激光器从过去半个世纪以来的“按瓦论价”的价值主张,演进到“以客户为中心、量身定制”的新时代。


来源:文/Yong Zhang,Tim Killeen;大通激光