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在这形势变化多端的时期,看看二氧化碳激光器

文章出处:辉腾激光 人气:-发表时间:2018-03-21 12:40
二氧化碳(CO2)激光器由C.Kumar N.Patel于1964年在贝尔实验室发明,是光子学工业规范的陈旧技能。但是虽然有着悠长的前史,CO2激光技能依然以它独特的波长、功率和光谱纯度相结合,阅历了昌盛发展期并持续运用着。

因为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抱负挑选。

典型的CO2激光器由混合CO2分子的很多气体放电组成。因为分子振动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。

二氧化碳激光器可提供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。而且因为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,变换功率可达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。

在二氧化碳激光器发明以来的几十年中,不计其数的二氧化碳激光器被用于医药、制作和科学研究,从我国高速出产线上为水瓶打印四位代码,到德国奔驰轿车的零部件焊接。即便在今日,跟着光纤激光器在相似运用中的遍及以及量子级联激光器(QCL)正在发明的新领域,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”到曾经由CO2激光器主导的一些运用领域。
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。


在工业使用方面,高功率光纤激光器以更低的成本供给更高的功率和更好的金属吸收。但是,CO2激光器仍然是处理许多不吸收光纤激光器的NIR波长的非金属资料的唯一挑选。
 
量子级联激光器尺寸细巧并且波长能够跨过2-12μm,十分适合使用于光谱学。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使用需要高功率、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。规范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争。
 
这些因素标志着公司按指定平均功率出产激光器、价格与所交付的功率成份额的“每瓦每美元”年代的完毕。使用这种战略的公司,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使用于塑料制作工厂、牙医办公室和手机组装线的行业。
 
尽管CO2激光器能够处理所有工业需求的年代即将完毕,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,需要对激光器真实价值建议有更深化的技能了解,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计划订价,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使用需求。
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
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光通过蒸腾熔融液滴锡而发生。而测验其它激光器用于这种使用时,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,需要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激光器彻底按照ISO 7级洁净室缔造,从原资料加工到终究测验(见图2)。每个激光器都要通过接连12小时输出测验,彻底符合测验规范,由于任何偏差都可能发生数千个故障半导体芯片。

图3二氧化碳激光器用于校正LIGO仪器中的光学失真
消除LIGO失真
 
由干涉仪光学器材吸收任何光子,这会使光学器材失真,并发生足够的热噪声掩盖有用的检测信号。尽管LIGO规划光学器材时会考虑热失真,但实际上需求实时微调以匹配主光束的功率和每个光学器材的单个质量。
 
二氧化碳激光器是调理光学器材的合理方法,因为其输出的光束被LIGO的光学器材高度吸收,而且它能够供给高波长纯度和功率安稳性,不会对丈量添加更多的噪声。
 
但依据LIGO特定的详细使用需求,开发单波长安稳CO2激光器,适用于在实时自适应体系内非常精准操控回路,准确抵消光学畸变(见图3)。当光学元件对热变形进行补偿不足时,CO2激光束成形为环以供给额定的补偿(过热校对),而假如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,以削弱补偿(欠热校对)。


牙科手术

    最近,科学家发现人类硬安排(骨骼和牙齿)在9.3-9.6μm范围内具有强烈的吸收(参见图6)。研讨还表明,CO2激光器独特别适用于硬、软安排,以及用于防止龋齿(蛀牙)。

尽管其他波长,如2.94微米适合于软安排和硬安排,只要在9.3和9.6微米波长的二氧化碳激光器供给龋防止和铲除的额定好处。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520μs,牢靠运行时间达数千小时,CO2激光器独特的功能适用于牙科手术和医治。尽管这项技能远未完成大规模使用,但基于9.3μm脉冲CO2激光器的商业牙科体系现在可用于硬安排和软安排。


加工新资料

    跟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物的需求。

软包装具有重量更轻、安全可生物降解的利益,降低了运送和包装固定本钱以及对环境影响,成为亚马逊未来竞赛的关键功能指标。这种转变经过以下事实完成: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。替换大型刀切体系将需求激光器阵列可以产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本钱过分贵重。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曩昔半个世纪的“美元/瓦特”的价值建议演变为CO2激光器的以客户为中心、定制使用的时代。


(转载于:激光网)

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