簡介

二氧化碳(CO₂)激光器是工業(yè)應用中歷史最為悠久的激光器之一，經歷近五十年的發(fā)展，市場對這類穩(wěn)健耐用型激光器的需求正以前所未有的速度飛快增長，在中國的制造應用領域中尤為如此。本文將介紹在這種增長的背后，全新的應用領域和激光器技術的發(fā)展起到了怎樣的推動作用。

技術發(fā)展涉及一系列市場需求特征，包括光束質量、小體積、高可靠性、多種輸出功率和低購置成本等。為此，我們還將介紹武漢三工光電設備制造有限公司的實踐經驗。該公司是激光切割及雕刻系統(tǒng)的領先供應商，主要支持CO₂激光器四種不同的應用領域：背光制造、定制賀卡制造、服裝行業(yè)紡織物和皮革切割/打標以及石刻。

長波長激光器加工非金屬材料

目前，CO₂激光器應用的增長主要集中在非金屬材料領域，因為這些激光器輸出的紅外波長可被塑料、紙張、薄膜、布料、皮革、石材和木材等多種有機材料高效吸收。比較而言，光纖激光器、半導體泵浦固體(DPSS)激光器以及高功率直接半導體激光器所產生的近紅外波長則不能被大多數(shù)非金屬有效吸收。CO₂輸出的高吸收率轉化為更為強烈的加熱效果，聚焦區(qū)域更為集中。因此，可產生更高的材料加工效率、優(yōu)質的邊緣粗糙度和燒焦痕跡，而且熱影響區(qū)(HAZ)更小。

波長的選擇

一直以來，雖然CO₂激光器僅有10.6 µm波長的型號，實際上我們已有能力造出輸出波長在9 µm至11 µm 范圍的多種不同類型的CO₂激光器。激光器輸出波長即使發(fā)生微小差異，也會對塑料（尤其是較薄板材和薄膜）的加工效率和速度產生重大影響。原因是，大多數(shù)聚合物塑料的紅外吸收光譜都有眾多窄峰。因此，激光器波長中的微小偏移會對吸收效率造成巨大的影響。由于膜材普遍很薄，所以吸收率上很小的差異就會引發(fā)很大的不同。因此，精確匹配波長可以最大程度地提高能量吸收，從而加快特定功率激光器的加工速度。

幾年前，相干公司率先研制出9.2 µm以上其他波長的工業(yè)用CO₂激光器。選擇這種波長是因為它與幾種重要塑料的吸收光譜的波峰十分匹配，包括在印刷電路板(PCB)中使用的聚酰亞胺。如今，這一波長已成為PCB領域重要應用——鉆微孔應用的主要波長。

最近，相干公司發(fā)布了波長為10.2 µm的CO₂激光器。選擇這種波長是因為它與聚丙烯(PP)材料較強的吸收波峰十分匹配。這種波長因其優(yōu)越的效率/速度受到眾多用戶的青睞，尤其用于包裝行業(yè)更薄膜材的加工。

在最近于德國慕尼黑舉辦的2015LASER World of PHOTONICS)展覽會上，相干公司發(fā)布了第一款選用一氧化碳(CO)技術（而非CO₂）的工業(yè)用激光器。這些激光器可提供與眾不同的5 µm中紅外輸出波長。這種新波長有兩個優(yōu)勢。首先，如上文所述，它與目標材料的吸收峰值十分匹配，可以實現(xiàn)更高的加工速度和效率。更為重要的是，與10 µm的輸出相比，這種波長可打出更小的孔，切割效果也更為精細。原因是激光的聚焦極限從根本上受到衍射的限制，而波長越長，衍射越明顯。所以波長減少一半，最小特征尺寸也會隨之減半。顯然，更精細的切割效果和更小的孔尺寸在許多應用中都是一個優(yōu)勢。此外，由于很多行業(yè)的小型化趨勢一直在持續(xù)，所以在某些尖端應用中可以繼續(xù)使用這些經濟高效的激光器，而無需轉用輸出更短波長的固態(tài)激光器，避免了較高的成本功率比。