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面对多方挑战:二氧化碳激光器如何转型?

作者:admin 来源:未知 点击:181 更新时间:2019-04-12

导读:  二氧化碳(CO2)激光器由C.Kumar N.Patel于1964年在贝尔实验室发明,是光子学工业标准的古老技术。

二氧化碳(CO2) 激光器 由C.Kumar N.Patel于1964年在贝尔实验室发明,是光子学工业标准的古老技术。但是尽管有着悠久的历史,CO2 激光 技术仍然以它独特的波长、功率和光谱纯度相结合,经历了繁荣发展期并继续应用着。

因为许多天然和合成材料在 CO2激光器 跨越的9-12μm光谱范围内具有强的特征吸收,所以在材料处理和光谱分析中有许多机会。这些波长也包含在大气传输的重要窗口中,是许多感测和测距应用的理想选择(见图1)。

典型的CO2激光器由混合CO2分子的大量气体放电组成。由于分子振动和自转的能量级非常接近,这些能量级之间跃迁发射的光子与可见光和近红外(NIR)光相比具有低能量和长波长。

二氧化碳激光器可提供从毫瓦到数十千瓦的功率水平,应用范围从小型仪器到大功率切割。并且因为CO2激光器具有非常高的光谱纯度,具有<1kHz的辐射线宽而没有功率权衡,转换效率可达10%。这些特性使CO2激光器能够应对材料加工,光探测和测距( 激光雷达 ),热视觉辅助和靶向治疗医学应用等新兴应用。

在二氧化碳激光器发明以来的几十年中,成千上万的二氧化碳激光器被用于医药、制造和科学研究,从中国高速生产线上为水瓶打印四位代码,到德国奔驰汽车的零部件焊接。即使在今天,随着 光纤激光器 在类似应用中的普及以及 量子级联激光器 (QCL)正在创造的新领域,CO2激光器仍将是市场上最广泛使用的激光器之一。

挑战竞争

尽管有这些长期的优势,二氧化碳激光器正在面临几个方面的挑战。光纤激光器和QCL已经“进军”到以前由CO2激光器主导的一些应用领域。

面对多方挑战:二氧化碳激光器如何转型?

图1  二氧化碳(CO2)激光器在电磁谱内的发射范围(a)红色框中,是大气传播的共同窗口。

 对于九种CO2同位素中的激射跃迁,(b)示出了频率和波长覆盖。

在工业应用方面,高功率光纤激光器以更低的成本提供更高的效率和更好的金属吸收。然而,CO2激光器仍然是处理许多不吸收光纤激光器的NIR波长的非金属材料的唯一选择。

量子级联激光器尺寸小巧并且波长可以跨越2-12μm,非常适合应用于光谱学。然而,在8-12μm的长波红外(LWIR)频段中,许多传感和光谱敏感的工业和医疗应用需要高功率、光谱纯度、优异相干性和稳定的空间模式相结合,而这种需求惟有CO2激光器可以提供。

除了技术挑战,主要来自中国不断扩大的激光产业,已经推动价格走到低谷。标准二氧化碳激光器正在成为一种纯粹的商品,进入市场和利润率迅速下降。就在三年前,中国公司以4500美元购买美国制造的30 W二氧化碳激光器。而现在,中国激光制造商已经带着自己的2000美元二氧化碳激光器进入市场参与竞争。

这些因素标志着公司按指定平均功率生产激光器、价格与所交付的功率成比例的“每瓦每美元”时代的结束。使用这种策略的公司,像新锐、相干和罗芬这样的知名企业建立了从几瓦到几十千瓦的激光器家族系列,衍生出了二氧化碳激光器应用于塑料制造工厂、牙医办公室和手机组装线的行业。

虽然CO2激光器可以解决所有工业需求的时代即将结束,我们正面临新材料和日益苛刻的工业科学过程所带来的挑战,需要对激光器真正价值主张有更深入的技术理解,以及制造和销售二氧化碳激光器的不同方法。

在制造方面,这种新范式利用CO2激光器宽范围规格紧密匹配特定的客户要求。在营销方面,由原来的按平均功率订价的方式转向客户特定方案订价,如脉冲整形、峰值功率、波长特征以及运作稳定性匹配特殊材料及应用需求。

EUV光刻

在探索扩展摩尔定律的道路上,二氧化碳激光器已被确定为激光产生等离子体(LPP)产生极紫外(EUV)辐射的最佳工具。这种13.5nm的EUV光通过蒸发熔融液滴锡而产生。而测试其它激光器用于这种应用时,例如钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器,效率没有二氧化碳激光器高,因为锡对CO2激光照明的反射率高得多,所以二氧化碳激光器产生更高速度和更好等离子体性质的光学流。

为了产生EUV光,需要CO2激光器提供单一波长(10.6μm)、光学质量完美、相同高速脉冲流,同时具有半导体工业所需的清洁度、准确性和可重复性。

为了满足这些严格的要求,用于EUV的CO2激光器完全按照ISO 7级洁净室建造,从原材料加工到最终测试(见图2)。每个激光器都要经过连续12小时输出测试,完全符合测试规范,因为任何偏差都可能产生数千个故障半导体芯片。

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图2 用于产生EUV光的CO2激光器在现代制造设备中经过严格的测试

消除LIGO失真

由干涉仪光学器件吸收任何光子,这会使光学器件失真,并产生足够的热噪声掩盖有用的检测信号。虽然LIGO设计光学器件时会考虑热失真,但实际上需要实时微调以匹配主光束的功率和每个光学器件的个别质量。

二氧化碳 激光器 是调节光学器件的合理方式,因为其输出的光束被LIGO的光学器件高度吸收,并且它可以提供高波长纯度和功率稳定性,不会对测量增加更多的噪声。

但根据LIGO特定的具体应用需求,开发单波长稳定 CO2激光器 ,适用于在实时自适应系统内非常精准控制回路,精确抵消光学畸变(见图3)。当光学元件对热变形进行补偿不足时,CO2 激光束 成形为环以提供额外的补偿(过热校正),而如果光学元件被过度补偿,则CO2 激光 光束在光学元件的中心成形为盘,以减弱补偿(欠热校正)。

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图3 二氧化碳激光器用于校正LIGO仪器中的光学失真

牙科手术
    最近,科学家发现人类硬组织(骨骼和牙齿)在9.3-9.6μm范围内具有强烈的吸收(参见图6)。研究还表明,CO2激光器独特地适用于硬、软组织,以及用于防止龋齿(蛀牙)。

虽然其他波长,如2.94微米适合于软组织和硬组织,只有在9.3和9.6微米波长的二氧化碳激光器提供龋预防和清除的额外好处。旧金山牙科学院院长约翰·费瑟斯通教授将这一发现比作激光牙科新时代的太阳升起

脉冲能量为多毫焦耳,脉冲长度为5-20μs,可靠运行时间达数千小时,CO2激光器独特的性能适用于牙科手术和治疗。虽然这项技术远未实现大规模应用,但基于9.3μm脉冲CO2激光器的商业牙科系统现在可用于硬组织和软组织。

加工新材料
    随着制造业继续向全进程自动化全球转变,激光器正在改变传统工艺的价值主张,例如包装等行业中的刀具切割和材料冲压。像亚马逊这样的公司正在推进一项改革,从传统纸板箱的固定包装尺寸到新型塑料材料的构建性软性包装,这种新型包装将在现场创建以完全满足特定货物的需求。

软包装具有重量更轻、安全可生物降解的优点,降低了运输和包装固定成本以及对环境影响,成为亚马逊未来竞争的关键性能指标。这种转变通过以下事实实现:激光器不断发展,并且提供远超过机械系统的可重复性和准确性。

新型多层塑料在CO2光谱中的一条特定线处具有非常强的吸收峰,甚至需要激光器在切割过程中从一层到另一层飞速转换波长。更换大型刀切系统将需要激光器阵列能够产生几乎没有热影响区的切除,同时跟踪每秒移动数百英尺的网。这种专用激光器需要在光谱中的单个波长处具有高精度,具有100到1或甚至更高的潜在高峰值功率对平均功率比和快(> 10kHz)脉冲。

传统上,这样的峰值功率和快速脉冲要求 Q开关 或其它外部调制技术,这些技术对于封装这样的行业来说大规模部署成本太过昂贵。然而,我们正在开发的千瓦峰值功率二氧化碳激光器,没有小形状因子的外部调制满足这些要求。事实上,制造业、医学和材料科学的最新趋势正在迫使过去半个世纪的“美元/瓦特”的价值主张演变为CO2激光器的以客户为中心、定制应用的时代。


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