CO2激光器-从多样化的过去走向量身定制的未来

 

CO2激光器-从多样化的过去走向量身定制的未来

 

凭借其他技术不能企及的独特波长，CO2激光器正从以平均功率为定价主张的市场转变到特殊专业应用市场，在这些市场需要极高的峰值功率，特定的波长和操作稳定性，从而为客户制定量身定制的解决方案，

 

YONG ZHANG and TIM KILLEEN

典型的CO2激光器由含有CO2分子的混合气体产生气体放电形成。因为分子振动和转动的能级非常接近，这些能级之间跃迁产生的光子与可见光和近红外相比，具有低能量和长波长。

CO2激光器可以提供从毫瓦到上万瓦的功率范围，可以制造仪器设备，也可以用于强力切割。因为CO2激光器有很高光谱纯度，线宽可到1Khz以下而不必牺牲功率， 转换效率可到10%。这些特点可以让CO2激光器处理材料加工中的新兴应用，进行激光测距和雷达，或者热像视觉辅助和靶向医疗应用等。

自CO2激光器发明几十年来，成千上万的激光器被应用在医疗、制造、科研上，从在中国的高速矿泉水瓶生产线上打印4位数字码，到德国的奔驰汽车焊接零件，都有大量应用。即使今天，随着光纤激光器在同样应用领域普及，以及量子级联激光器正在创造的新领域，如果CO2激光器向专用应用领域发展，仍然会拥有宽广的市场。

竞争的挑战

尽管具备这些长期优势，CO2激光器已经在一些方面遇到了挑战。光纤激光器和量子级联激光器已经扩展到CO2激光器之前主要的应用领域。

工业应用中，高功率光纤激光器对金属材料能以低价格和可观的成本提供更高效和更好的能量吸收。 然而，CO2激光器仍旧是处理许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2–12 μm范围的波长而且尺寸更加紧凑，使它成为光谱学的重要工具。然而， 许多在长波红外8–12 μm区域的传感、光谱敏感的工业和医疗应用中，需要更高功率、很好的光谱纯度，以及优异的相干性和稳定空间模式，这些只有CO2激光器可以实现。

除了技术上的挑战，来自中国不断扩张的激光工业也导致价格侵蚀，使价格越来越低。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。3年前，中国公司购买美国制造的30W CO2激光器需要 $4500美金，而现在，中国制造的激光器进入市场，价格可以做到$2000美金。

这些因素标志着“按瓦论价”时代的结束，在那个时代，公司生产特定平均功率，又能多个领域使用的激光器，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做出了从几瓦到上万瓦的激光器系列，诞生了一个新的行业，CO2激光器用在塑料加工厂、牙科诊所、手机装配线等。

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接近结束，但我们正在迎来新兴材料和日益苛刻的工业和科研加工带来的挑战，这需要新的专用激光器，需要对激光器的真正的价值主张有更深的技术理解，需要一个完全不同的方式进行激光器制造和市场推广。

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特定的需求。在市场方面，从之前的平均功率和“按瓦论价”作为主要定价主张，转变为为客户制定量体裁衣的解决方案，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度。

EUV极深紫外（EUV）光刻技术

在尝试拓展摩尔定律时，CO2激光器被认定是通过激光生成等离子体（LPP）产生极深紫外（EUV）的最佳工具。这种13.5nm的EUV是通过蒸发锡的熔融液滴产生。其他激光器像Nd:YAG激光器使用在这个应用时，被证明在产生更高速和高质量等离子体属性的光学薄羽流上效率更低。因为锡对CO2激光器照射有更高的反射率²。

为了产生EUV光，CO2激光器需要提供在10.6um单个波长光学质量近乎完美且高速相同的脉冲，具有半导体工业需要的清洁度，精度，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）的所有工序都在ISO Class 7级别的洁净室进行。每个激光器都通过连续的12小时开机测试，完全符合测试规格，毕竟任何偏差都可能产生数千个半导体芯片失效。

             

纠正LIGO光学元件畸变

在与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协助验证了引力波的存在。虽然爱因斯坦已经在很早之前就预测引力波的存在，但它们的理论信号太小，以至于他怀疑是否能建立相应的有这么高灵敏度的装置可以探测这么微小的宇宙杂音。

LIGO的科学家遇到了一个非常具体的问题。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，并产生的热噪声足以覆盖他们需要检测的信号。虽然LIGO设计的光学器件已经把热畸变考虑在内，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， 而且能提供很高的光谱纯度和功率稳定度。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型CO2激光器，适用于实时自适应系统里精密的控制回路，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).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）。

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 (见图4).^4-6有很强的吸收。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也能进行软组织和硬组织处理，但只有CO2激光器在9.3 和 9.6 μm波长能进行龋齿预防和清除7。John Featherstone教授，加州大学旧金山分校牙科学院院长，把这一发现比作激光牙科领域新时代的曙光8。

唯一适合医疗点牙科手术和治疗的CO2激光器需要有几mj的脉冲能量，5–20 μs脉冲宽度和能可靠运行数千小时。 虽然这个技术远没有大规模应用，基于9.3 μm脉冲CO2激光器的商业牙科设备现在已经可以提供用于牙科硬组织和软组织上⁹。

加工新材料

随着制造业转变为全过程自动化的全球趋势，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。一些公司像亚马逊正在驱动一场变革从僵硬的包装方式，即固定尺寸的纸箱，转变为新型塑料材料制造的柔性包装，并且现场创建，能完全符合特定货物的需求。该新型柔性包装重量更轻，并能安全生物降解，减少了运输和包装的固定成本和环境影响，这是亚马逊未来重要的绩效指标。这种转变能够实现，是因为激光器与刀具不同，它从来不会变钝， 而且重复性和精确度远超过机械系统。

 

新型多层塑料在CO2光谱范围内某个特殊谱线有很强的吸收峰，在切割过程中塑料层一层层移动的时也要求波长随之变化。代替大型切割系统需要能够产生几乎没有热影响区消融的激光器阵列，同时能以每秒移动数百英尺来切割很大的幅面。这个特殊应用的激光器需要在

单个谱线上有很高精度，峰值功率与平均功率比值大于100:1甚至更高，而且有非常高的脉冲频率（>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，这样的技术对要求成本效益的包装行业大规模部署来说太过昂贵。然而，我们正在开发的CO2激光器能在一种小型封装尺寸不需要外部调制就能达到上千瓦峰值功率，来满足这些要求。实际上，最新的发展趋势在制造、医疗和材料科学上都在推动CO2激光器从过去半个世纪以“按瓦论价”的定价主张进化到以客户为中心，量身定制的新时代。

REFERENCES

参考文献

1. C. Freed, LLabJ, 3, 3, 479–500 (1990).

2. A. Hassanein, V. Sizyuk, S. S. Harilal, and T. Sizyuk, "Analysis, simulation, and experimental studies of YAG and CO₂ laser-produced plasma for EUV lithography sources," Proc. SPIE, 7636, 76360A (2010).

3. S. Ballmer et al., "Thermal compensation system description" (2005); seehttp://bit.ly/2dwiUNf.

4. P. Rechmann et al., Lasers Surg. Med., 45, 302–310 (2013).

5. N. M. Fried and D. Fried, Lasers Surg. Med., 38, 335–343 (2001).

6. D. Fried et al., J. Biomed. Opt., 6, 2, 231–238 (2001).

7. S. Parker et al., J. Laser Dentistry, 20, 2, 46–51 (2012).

8. J. Featherstone, Invited speech at the Annual Conference of Academy of Laser Dentistry (2013).

9. See http://www.convergentdental.com.

Yong Zhang is president and chief technology officer and Tim Killeen is sales and marketing manager, both at Access Laser, Everett, WA; e-mail:tkilleen@accesslaser.com; www.accesslaser.com.

Yong Zhang 是AccessLaser的President和CTO。Tim Killeen是Access Laser的Sales&Marketing经理。