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(zhǎng)、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(zhǎng)也包含在大氣傳輸?shù)闹匾翱谥?，是許多感測(cè)和測(cè)距應(yīng)用的理想選擇（見(jiàn)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(jí)非常接近，這些能量級(jí)之間躍遷發(fā)射的光子與可見(jiàn)光和近紅外（NIR）光相比具有低能量和長(zhǎng)波長(zhǎng)。

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(méi)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(duì)材料加工，光探測(cè)和測(cè)距（激光雷達(dá)），熱視覺(jué)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(lái)的幾十年中，成千上萬(wàn)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(guó)高速生產(chǎn)線上為水瓶打印四位代碼，到德國(guó)奔馳汽車(chē)的零部件焊接。即使在今天，隨著光纖激光器在類(lèi)似應(yīng)用中的普及以及量子級(jí)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(chǎng)上最廣泛使用的激光器之一。

挑戰(zhàn)競(jìng)爭(zhēng)

盡管有這些長(zhǎng)期的優(yōu)勢(shì)，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(duì)于九種CO2同位素中的激射躍遷，（b）示出了頻率和波長(zhǎng)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(zhǎng)的非金屬材料的唯一選擇。

量子級(jí)聯(lián)激光器尺寸小巧并且波長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)自中國(guó)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(chǎng)和利潤(rùn)率迅速下降。就在三年前，中國(guó)公司以4500美元購(gòu)買(mǎi)美國(guó)制造的30 W二氧化碳激光器。而現(xiàn)在，中國(guó)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(chǎng)參與競(jìng)爭(zhēng)。

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(guò)程所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，需要對(duì)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(xiāo)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(hù)要求。在營(yíng)銷(xiāo)方面，由原來(lái)的按平均功率訂價(jià)的方式轉(zhuǎn)向客戶(hù)特定方案訂價(jià)，如脈沖整形、峰值功率、波長(zhǎng)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(guò)蒸發(fā)熔融液滴錫而產(chǎn)生。而測(cè)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(méi)有二氧化碳激光器高，因?yàn)殄a對(duì)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(zhǎng)（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(mǎn)足這些嚴(yán)格的要求，用于EUV的CO2激光器完全按照ISO 7級(jí)潔凈室建造，從原材料加工到最終測(cè)試（見(jiàn)圖2）。每個(gè)激光器都要經(jīng)過(guò)連續(xù)12小時(shí)輸出測(cè)試，完全符合測(cè)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(guò)嚴(yán)格的測(cè)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(cè)信號(hào)。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(zhǎng)純度和功率穩(wěn)定性，不會(huì)對(duì)測(cè)量增加更多的噪聲。

但根據(jù)LIGO特定的具體應(yīng)用需求，開(kāi)發(fā)單波長(zhǎng)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(jiàn)圖3）。當(dāng)光學(xué)元件對(duì)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(guò)熱校正），而如果光學(xué)元件被過(guò)度補(bǔ)償，則CO2激光光束在光學(xué)元件的中心成形為盤(pán)，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(lèi)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(jiàn)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(yáng)升起。

脈沖能量為多毫焦耳，脈沖長(zhǎng)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(chǎng)創(chuàng)建以完全滿(mǎn)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(duì)環(huán)境影響，成為亞馬遜未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。這種轉(zhuǎn)變通過(guò)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(guò)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(guò)程中從一層到另一層飛速轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)。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(méi)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(zhuān)用激光器需要在光譜中的單個(gè)波長(zhǎng)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(duì)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(kāi)關(guān)或其它外部調(diào)制技術(shù)，這些技術(shù)對(duì)于封裝這樣的行業(yè)來(lái)說(shuō)大規(guī)模部署成本太過(guò)昂貴。然而，我們正在開(kāi)發(fā)的千瓦峰值功率二氧化碳激光器，沒(méi)有小形狀因子的外部調(diào)制滿(mǎn)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(shì)正在迫使過(guò)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(hù)為中心、定制應(yīng)用的時(shí)代。