二氧化碳（CO2）激光器由C.Kumar N.Patel于1964年在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，是光子學(xué)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的古老技術(shù)。但是盡管有著悠久的歷史，CO2激光技術(shù)仍然以它獨(dú)特的波長、功率和光譜純度相結(jié)合，經(jīng)歷了繁榮發(fā)展期并繼續(xù)應(yīng)用著。

因?yàn)樵S多天然和合成材料在CO2激光器跨越的9-12μm光譜范圍內(nèi)具有強(qiáng)的特征吸收，所以在材料處理和光譜分析中有許多機(jī)會(huì)。這些波長也包含在大氣傳輸?shù)闹匾翱谥?，是許多感測和測距應(yīng)用的理想選擇（見圖1）。

典型的CO2激光器由混合CO2分子的大量氣體放電組成。由于分子振動(dòng)和自轉(zhuǎn)的能量級非常接近，這些能量級之間躍遷發(fā)射的光子與可見光和近紅外（NIR）光相比具有低能量和長波長。

二氧化碳激光器可提供從毫瓦到數(shù)十千瓦的功率水平，應(yīng)用范圍從小型儀器到大功率切割。并且因?yàn)镃O2激光器具有非常高的光譜純度，具有<1kHz的輻射線寬而沒有功率權(quán)衡，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10％。這些特性使CO2激光器能夠應(yīng)對材料加工，光探測和測距（激光雷達(dá)），熱視覺輔助和靶向治療醫(yī)學(xué)應(yīng)用等新興應(yīng)用。

在二氧化碳激光器發(fā)明以來的幾十年中，成千上萬的二氧化碳激光器被用于醫(yī)藥、制造和科學(xué)研究，從中國高速生產(chǎn)線上為水瓶打印四位代碼，到德國奔馳汽車的零部件焊接。即使在今天，隨著光纖激光器在類似應(yīng)用中的普及以及量子級聯(lián)激光器（QCL）正在創(chuàng)造的新領(lǐng)域，CO2激光器仍將是市場上最廣泛使用的激光器之一。

挑戰(zhàn)競爭

盡管有這些長期的優(yōu)勢，二氧化碳激光器正在面臨幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)。光纖激光器和QCL已經(jīng)“進(jìn)軍”到以前由CO2激光器主導(dǎo)的一些應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1  二氧化碳（CO2）激光器在電磁譜內(nèi)的發(fā)射范圍（a）紅色框中，是大氣傳播的共同窗口。

對于九種CO2同位素中的激射躍遷，（b）示出了頻率和波長覆蓋。

在工業(yè)應(yīng)用方面，高功率光纖激光器以更低的成本提供更高的效率和更好的金屬吸收。然而，CO2激光器仍然是處理許多不吸收光纖激光器的NIR波長的非金屬材料的唯一選擇。

量子級聯(lián)激光器尺寸小巧并且波長可以跨越2-12μm，非常適合應(yīng)用于光譜學(xué)。然而，在8-12μm的長波紅外（LWIR）頻段中，許多傳感和光譜敏感的工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用需要高功率、光譜純度、優(yōu)異相干性和穩(wěn)定的空間模式相結(jié)合，而這種需求惟有CO2激光器可以提供。

除了技術(shù)挑戰(zhàn)，主要來自中國不斷擴(kuò)大的激光產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)推動(dòng)價(jià)格走到低谷。標(biāo)準(zhǔn)二氧化碳激光器正在成為一種純粹的商品，進(jìn)入市場和利潤率迅速下降。就在三年前，中國公司以4500美元購買美國制造的30 W二氧化碳激光器。而現(xiàn)在，中國激光制造商已經(jīng)帶著自己的2000美元二氧化碳激光器進(jìn)入市場參與競爭。

這些因素標(biāo)志著公司按指定平均功率生產(chǎn)激光器、價(jià)格與所交付的功率成比例的“每瓦每美元”時(shí)代的結(jié)束。使用這種策略的公司，像新銳、相干和羅芬這樣的知名企業(yè)建立了從幾瓦到幾十千瓦的激光器家族系列，衍生出了二氧化碳激光器應(yīng)用于塑料制造工廠、牙醫(yī)辦公室和手機(jī)組裝線的行業(yè)。

雖然CO2激光器可以解決所有工業(yè)需求的時(shí)代即將結(jié)束，我們正面臨新材料和日益苛刻的工業(yè)科學(xué)過程所帶來的挑戰(zhàn)，需要對激光器真正價(jià)值主張有更深入的技術(shù)理解，以及制造和銷售二氧化碳激光器的不同方法。

在制造方面，這種新范式利用CO2激光器寬范圍規(guī)格緊密匹配特定的客戶要求。在營銷方面，由原來的按平均功率訂價(jià)的方式轉(zhuǎn)向客戶特定方案訂價(jià)，如脈沖整形、峰值功率、波長特征以及運(yùn)作穩(wěn)定性匹配特殊材料及應(yīng)用需求。

EUV光刻

在探索擴(kuò)展摩爾定律的道路上，二氧化碳激光器已被確定為激光產(chǎn)生等離子體（LPP）產(chǎn)生極紫外（EUV）輻射的最佳工具。這種13.5nm的EUV光通過蒸發(fā)熔融液滴錫而產(chǎn)生。而測試其它激光器用于這種應(yīng)用時(shí)，例如釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）激光器，效率沒有二氧化碳激光器高，因?yàn)殄a對CO2激光照明的反射率高得多，所以二氧化碳激光器產(chǎn)生更高速度和更好等離子體性質(zhì)的光學(xué)流。

為了產(chǎn)生EUV光，需要CO2激光器提供單一波長（10.6μm）、光學(xué)質(zhì)量完美、相同高速脈沖流，同時(shí)具有半導(dǎo)體工業(yè)所需的清潔度、準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

為了滿足這些嚴(yán)格的要求，用于EUV的CO2激光器完全按照ISO 7級潔凈室建造，從原材料加工到最終測試（見圖2）。每個(gè)激光器都要經(jīng)過連續(xù)12小時(shí)輸出測試，完全符合測試規(guī)范，因?yàn)槿魏纹疃伎赡墚a(chǎn)生數(shù)千個(gè)故障半導(dǎo)體芯片。

 

圖2 用于產(chǎn)生EUV光的CO2激光器在現(xiàn)代制造設(shè)備中經(jīng)過嚴(yán)格的測試

消除LIGO失真

由干涉儀光學(xué)器件吸收任何光子，這會(huì)使光學(xué)器件失真，并產(chǎn)生足夠的熱噪聲掩蓋有用的檢測信號。雖然LIGO設(shè)計(jì)光學(xué)器件時(shí)會(huì)考慮熱失真，但實(shí)際上需要實(shí)時(shí)微調(diào)以匹配主光束的功率和每個(gè)光學(xué)器件的個(gè)別質(zhì)量。

二氧化碳激光器是調(diào)節(jié)光學(xué)器件的合理方式，因?yàn)槠漭敵龅墓馐籐IGO的光學(xué)器件高度吸收，并且它可以提供高波長純度和功率穩(wěn)定性，不會(huì)對測量增加更多的噪聲。

但根據(jù)LIGO特定的具體應(yīng)用需求，開發(fā)單波長穩(wěn)定CO2激光器，適用于在實(shí)時(shí)自適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)非常精準(zhǔn)控制回路，精確抵消光學(xué)畸變（見圖3）。當(dāng)光學(xué)元件對熱變形進(jìn)行補(bǔ)償不足時(shí)，CO2激光束成形為環(huán)以提供額外的補(bǔ)償（過熱校正），而如果光學(xué)元件被過度補(bǔ)償，則CO2激光光束在光學(xué)元件的中心成形為盤，以減弱補(bǔ)償（欠熱校正）。

圖3 二氧化碳激光器用于校正LIGO儀器中的光學(xué)失真

牙科手術(shù)
   
最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)人類硬組織（骨骼和牙齒）在9.3-9.6μm范圍內(nèi)具有強(qiáng)烈的吸收（參見圖6）。研究還表明，CO2激光器獨(dú)特地適用于硬、軟組織，以及用于防止齲齒（蛀牙）。

雖然其他波長，如2.94微米適合于軟組織和硬組織，只有在9.3和9.6微米波長的二氧化碳激光器提供齲預(yù)防和清除的額外好處。舊金山牙科學(xué)院院長約翰·費(fèi)瑟斯通教授將這一發(fā)現(xiàn)比作激光牙科新時(shí)代的太陽升起。

脈沖能量為多毫焦耳，脈沖長度為5-20μs，可靠運(yùn)行時(shí)間達(dá)數(shù)千小時(shí)，CO2激光器獨(dú)特的性能適用于牙科手術(shù)和治療。雖然這項(xiàng)技術(shù)遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，但基于9.3μm脈沖CO2激光器的商業(yè)牙科系統(tǒng)現(xiàn)在可用于硬組織和軟組織。

加工新材料
   
隨著制造業(yè)繼續(xù)向全進(jìn)程自動(dòng)化全球轉(zhuǎn)變，激光器正在改變傳統(tǒng)工藝的價(jià)值主張，例如包裝等行業(yè)中的刀具切割和材料沖壓。像亞馬遜這樣的公司正在推進(jìn)一項(xiàng)改革，從傳統(tǒng)紙板箱的固定包裝尺寸到新型塑料材料的構(gòu)建性軟性包裝，這種新型包裝將在現(xiàn)場創(chuàng)建以完全滿足特定貨物的需求。

軟包裝具有重量更輕、安全可生物降解的優(yōu)點(diǎn)，降低了運(yùn)輸和包裝固定成本以及對環(huán)境影響，成為亞馬遜未來競爭的關(guān)鍵性能指標(biāo)。這種轉(zhuǎn)變通過以下事實(shí)實(shí)現(xiàn)：激光器不斷發(fā)展，并且提供遠(yuǎn)超過機(jī)械系統(tǒng)的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

新型多層塑料在CO2光譜中的一條特定線處具有非常強(qiáng)的吸收峰，甚至需要激光器在切割過程中從一層到另一層飛速轉(zhuǎn)換波長。更換大型刀切系統(tǒng)將需要激光器陣列能夠產(chǎn)生幾乎沒有熱影響區(qū)的切除，同時(shí)跟蹤每秒移動(dòng)數(shù)百英尺的網(wǎng)。這種專用激光器需要在光譜中的單個(gè)波長處具有高精度，具有100到1或甚至更高的潛在高峰值功率對平均功率比和快（> 10kHz）脈沖。

傳統(tǒng)上，這樣的峰值功率和快速脈沖要求Q開關(guān)或其它外部調(diào)制技術(shù)，這些技術(shù)對于封裝這樣的行業(yè)來說大規(guī)模部署成本太過昂貴。然而，我們正在開發(fā)的千瓦峰值功率二氧化碳激光器，沒有小形狀因子的外部調(diào)制滿足這些要求。事實(shí)上，制造業(yè)、醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)的最新趨勢正在迫使過去半個(gè)世紀(jì)的“美元/瓦特”的價(jià)值主張演變?yōu)镃O2激光器的以客戶為中心、定制應(yīng)用的時(shí)代。