二氧化碳(CO2)激光器由C.Kumar N.Patel于1964年在贝尔实验室创造,是光子学工业标准的陈旧技能。可是虽然有着悠长的前史,CO2激光技能依然以它一起的波长、功率和光谱纯度相结合,阅历了昌盛发展期并持续运用着。
由于许多天然和合成资料在CO2激光器跨过的9-12μm光谱规模内具有强的特征吸收,所以在资料处理和光谱分析中有许多时机。这些波长也包含在大气传输的重要窗口中,是许多感测和测距运用的理想挑选(见图1)。
典型的CO2激光器由混合CO2分子的很多气体放电组成。由于分子振荡和自转的能量级十分挨近,这些能量级之间跃迁发射的光子与可见光和近红外(NIR)光比较具有低能量和长波长。
二氧化碳激光器可供给从毫瓦到数十千瓦的功率水平,运用规模从小型仪器到大功率切开。而且由于CO2激光器具有十分高的光谱纯度,具有<1kHz的辐射线宽而没有功率权衡,转换功率可达10%。这些特性使CO2激光器能够应对资料加工,光勘探和测距(激光雷达),热视觉辅佐和靶向医治医学运用等新兴运用。
在二氧化碳激光器创造以来的几十年中,成千上万的二氧化碳激光器被用于医药、制作和科学研究,从我国高速生产线上为水瓶打印四位代码,到德国奔跑轿车的零部件焊接。即便在今日,跟着光纤激光器在相似运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运用的激光器之一。
应战竞赛
虽然有这些长时间的优势,二氧化碳激光器正在面对几个方面的应战。光纤激光器和QCL现已“进军”到以前由CO2激光器主导的一些运用领域。
面对多方应战:二氧化碳激光器怎么转型?
图1 二氧化碳(CO2)激光器在电磁谱内的发射规模(a)赤色框中,是大气传播的一起窗口。
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。
在工业运用方面,高功率光纤激光器以更低的本钱供给更高的功率和更好的金属吸收。但是,CO2激光器依然是处理许多不吸收光纤激光器的NIR波长的非金属资料的仅有挑选。
量子级联激光器尺度细巧而且波长能够跨过2-12μm,十分合适运用于光谱学。但是,在8-12μm的长波红外(LWIR)频段中,许多传感和光谱灵敏的工业和医疗运用需求高功率、光谱纯度、优异相干性和稳定的空间形式相结合,而这种需求惟有CO2激光器能够供给。
除了技能应战,首要来自我国不断扩大的激光工业,现已推动价格走到低谷。标准二氧化碳激光器正在成为一种朴实的产品,进入市场和利润率敏捷下降。就在三年前,我国公司以4500美元购买美国制作的30 W二氧化碳激光器。而现在,我国激光制作商现已带着自己的2000美元二氧化碳激光器进入市场参加竞赛。
这些要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份额的“每瓦每美元”年代的完毕。运用这种策略的公司,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宗族系列,衍生出了二氧化碳激光器运用于塑料制作工厂、牙医办公室和手机组装线的职业。
虽然CO2激光器能够解决一切工业需求的年代行将完毕,我们正面对新资料和日益严苛的工业科学进程所带来的应战,需求对激光器真实价值建议有更深入的技能了解,以及制作和出售二氧化碳激光器的不同办法。
在制作方面,这种新范式使用CO2激光器宽规模标准严密匹配特定的客户要求。在营销方面,由本来的按平均功率订价的方法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别资料及运用需求。
EUV光刻
在探究扩展摩尔定律的道路上,二氧化碳激光器已被确定为激光发生等离子体(LPP)发生极紫外(EUV)辐射的最佳东西。这种13.5nm的EUV光通过蒸发熔融液滴锡而发生。而测验其它激光器用于这种运用时,例如钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器,功率没有二氧化碳激光器高,由于锡对CO2激光照明的反射率高得多,所以二氧化碳激光器发生更高速度和更好等离子体性质的光学流。
为了发生EUV光,需求CO2激光器供给单一波长(10.6μm)、光学质量完美、相同高速脉冲流,一起具有半导体工业所需的清洁度、准确性和可重复性。
为了满意这些严厉的要求,用于EUV的CO2激光器彻底依照ISO 7级洁净室缔造,从原资料加工到最终测验(见图2)。每个激光器都要通过连续12小时输出测验,彻底符合测验标准,由于任何偏差都可能发生数千个毛病半导体芯片。
跟着制造业持续向全进程自动化全球改动,激光器正在改动传统工艺的价值建议,例如包装等职业中的刀具切开和资料冲压。像亚马逊这样的公司正在推动一项变革,从传统纸板箱的固定包装尺度到新式塑料资料的构建性软性包装,这种新式包装将在现场创立以彻底满意特定货品的需求。
软包装具有分量更轻、安全可生物降解的优点,降低了运送和包装固定成本以及对环境影响,成为亚马逊未来竞赛的要害性能指标。这种改动经过以下事实完成:激光器不断发展,而且供给远超过机械体系的可重复性和准确性。
新式多层塑料在CO2光谱中的一条特定线处具有十分强的吸收峰,乃至需求激光器在切开过程中从一层到另一层飞速转换波长。更换大型刀切体系将需求激光器阵列可以发生几乎没有热影响区的切除,一起盯梢每秒移动数百英尺的网。这种专用激光器需求在光谱中的单个波利益具有高精度,具有100到1或乃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能,这些技能关于封装这样的职业来说大规模布置成本过分贵重。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意这些要求。事实上,制造业、医学和资料科学的最新趋势正在迫使过去半个世纪的“美元/瓦特”的价值建议演变为CO2激光器的以客户为中心、定制使用的年代。