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CO2激光器未来的曙光是什么?

导读: 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。

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。

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