CO2 激光器由 C. Kumar N.Patel 于 1964 年在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，其在日新月異的光電行業(yè)中堪稱一項(xiàng)古老的技術(shù)。盡管出現(xiàn)的時(shí)間較長(zhǎng)，但是 CO2 激光技術(shù)憑借著其獨(dú)特的波長(zhǎng)、功率和光譜純度，依然在市場(chǎng)上生存并繼續(xù)繁榮。

因?yàn)楹芏嗵烊徊牧虾秃铣刹牧显?~12μm 具有很強(qiáng)的吸收峰，而這恰好是 CO2 激光器的輸出波長(zhǎng)所處的波段，這為 CO2 激光器在材料加工和光譜分析領(lǐng)域提供了大量機(jī)會(huì)。這個(gè)波段也包含在大氣傳輸窗口內(nèi)，因此也是很多傳感和測(cè)距應(yīng)用的理想選擇（見(jiàn)圖 1）。

典型的 CO2 激光器由含有 CO2分子的混合氣體產(chǎn)生氣體放電而形成。因?yàn)榉肿诱駝?dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的能級(jí)非常接近，CO2 分子在這些能級(jí)之間躍遷產(chǎn)生的光子與可見(jiàn)光和近紅外光相比，能量更低，波長(zhǎng)更長(zhǎng)。

圖1：圖（a）顯示了CO2激光器的光譜在電磁波譜線的紅框范圍內(nèi)，是常用的大氣傳輸窗口；圖（b）顯示了9個(gè)不同的CO2同位素的頻率和波長(zhǎng)范圍。

CO2 激光器可以提供從毫瓦到上萬(wàn)瓦的功率范圍，可用于制造儀器設(shè)備，也可以用于強(qiáng)力切割。因?yàn)?CO2激光器有很高光譜純度，線寬可達(dá)1kHz 以下而不必犧牲功率，轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 10%。這些特點(diǎn)使得 CO2 激光器能夠勝任材料加工領(lǐng)域的新應(yīng)用、激光測(cè)距和雷達(dá)、熱像視覺(jué)輔助及靶向醫(yī)療等應(yīng)用。

自被發(fā)明幾十年來(lái)，已經(jīng)有無(wú)數(shù)CO2 激光器應(yīng)用到醫(yī)療、制造及科研領(lǐng)域，從中國(guó)高速礦泉水瓶生產(chǎn)線上的 4 位數(shù)字碼打印，到德國(guó)的奔馳汽車零件焊接。即使在今天光纖激光器正在侵蝕著 CO2 激光器的大量市場(chǎng)、以及量子級(jí)聯(lián)激光器不斷開(kāi)創(chuàng)新領(lǐng)域的情況下，如果 CO2 激光器向著專用領(lǐng)域發(fā)展，其仍然會(huì)在市場(chǎng)上贏得廣泛應(yīng)用。

挑戰(zhàn)競(jìng)爭(zhēng)

盡管擁有這些長(zhǎng)期優(yōu)勢(shì)，但是 CO2 激光器已經(jīng)在一些方面遭遇挑戰(zhàn)。光纖激光器和量子級(jí)聯(lián)激光器已經(jīng)擴(kuò)展到了很多之前由 CO2 激光器主導(dǎo)的應(yīng)用領(lǐng)域。

在工業(yè)應(yīng)用中，高功率光纖激光器能提供更高的效率、其能量能被金屬材料更好地吸收，并且更加具有成本優(yōu)勢(shì)。然而，CO2 激光器仍然是加工很多非金屬材料的唯一方式，因?yàn)檫@些材料不能吸收光纖激光器的近紅外波長(zhǎng)。

量子級(jí)聯(lián)激光器能產(chǎn)生 2~12μm范圍的波長(zhǎng)，并且體積更加緊湊，已成為光譜學(xué)應(yīng)用中的一個(gè)重要工具。然而，許多位于 8~12μm 長(zhǎng)波紅外波段的傳感、光譜敏感的工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用，需要更高的功率、更好的光譜純度、極好的相干性和穩(wěn)定的空間模式，這些只有 CO2 激光器可以實(shí)現(xiàn)。

除了技術(shù)上的挑戰(zhàn)，中國(guó)不斷擴(kuò)張的激光產(chǎn)業(yè)也導(dǎo)致價(jià)格越來(lái)越低。標(biāo)準(zhǔn)的 CO2 激光器正迅速商品化，進(jìn)入門(mén)檻和利潤(rùn)都急速下降。三年前，中國(guó)公司購(gòu)買美國(guó)制造的 30W CO2激光器需要 4500 美元 ；而現(xiàn)在，國(guó)產(chǎn) CO2 激光器進(jìn)入市場(chǎng)，將價(jià)格拉低到 2000 美元。

這些因素標(biāo)志著“按瓦論價(jià)”的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束 ；在按瓦論價(jià)的時(shí)代，公司生產(chǎn)特定平均功率、能適用多個(gè)領(lǐng)域的激光器，價(jià)格與瓦數(shù)成正比。采用這種策略，一些高度成功的公司如 Synrad、Coherent 和 Rofin等公司，能提供功率從幾瓦到上萬(wàn)瓦的 CO2 激光器系列，這也使得 CO2 激光器在塑料加工廠、牙科診所、手機(jī)裝配線等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

盡管 CO2 激光器作為“對(duì)所有用途一刀切解決方案”的競(jìng)爭(zhēng)方式已經(jīng)結(jié)束，但是隨著新材料加工的涌現(xiàn)，以及日益嚴(yán)格的工業(yè)和科研加工要求，這些均需要新的專用激光器，需要對(duì)激光器真正的價(jià)值主張有更深的技術(shù)理解，需要一種完全不同的方式制造并推廣 CO2 激光器。CO2 激光器正在應(yīng)對(duì)這些新的挑戰(zhàn)。

在制造方面，這種新的模式需要調(diào)整 CO2 激光器的各種指標(biāo)，密切配合客戶的特定需求。在市場(chǎng)方面，從之前的平均功率和“按瓦論價(jià)”的價(jià)值主張，轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛻舳ㄖ苹鉀Q方案，根據(jù)特定的材料和應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)激光器的脈沖形狀、峰值功率、專用波長(zhǎng)和工作穩(wěn)定性。

極紫外光刻

在嘗試拓展摩爾定律時(shí)，CO2 激光器被認(rèn)為是通過(guò)激光生成等離子體（LPP）產(chǎn)生極紫外（EUV）輻射的最佳工具。這種 13.5nm 的 EUV 光是通過(guò)蒸發(fā)錫的熔融液滴產(chǎn)生的。針對(duì)這項(xiàng)應(yīng)用也測(cè)試了 Nd:YAG 等其他激光器，結(jié)果表明它們?cè)诋a(chǎn)生更高速、高質(zhì)量等離子體屬性的光學(xué)薄羽流方面，效率更低，這是因?yàn)殄a對(duì) CO2 激光器照射具有更高的反射率。

為了產(chǎn)生 EUV 光，CO2 激光器需要提供一連串波長(zhǎng) 10.6μm、光學(xué)質(zhì)量近乎完美、高速且完全相同的脈沖，具有半導(dǎo)體行業(yè)所要求的清潔度、精確度和可重復(fù)性。

為了滿足這些嚴(yán)格的要求，用于EUV 的 CO2 激光器從原材料處理到最終測(cè)試（見(jiàn)圖 2）的所有工序，都完全在 ISO Class 7 級(jí)別的潔凈室內(nèi)進(jìn)行。每臺(tái)激光器都通過(guò) 12 小時(shí)的連續(xù)開(kāi)機(jī)測(cè)試，完全符合測(cè)試規(guī)格，因?yàn)槿魏纹疃伎赡軐?dǎo)致數(shù)千枚半導(dǎo)體芯片的失敗。

圖2：用于產(chǎn)生EUV光的CO2激光器

正在一座現(xiàn)代化制造工廠中接受嚴(yán)格測(cè)試

糾正LIGO光學(xué)元件畸變

在與激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）引力波探測(cè)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)達(dá)十幾年的項(xiàng)目合作中，我們提供了關(guān)鍵技術(shù)來(lái)協(xié)助驗(yàn)證引力波的存在。雖然愛(ài)因斯坦在很早之前就已經(jīng)預(yù)測(cè)了引力波的存在，但它們的理論信號(hào)太小，以至于他懷疑是否能建立具備足夠高靈敏度的裝置，進(jìn)而探測(cè)到如此微小的宇宙雜音。

LIGO 的科學(xué)家遇到了一個(gè)非常特殊的問(wèn)題。任何光子被干涉儀光學(xué)器件吸收，即便是三百三十萬(wàn)分之一，都會(huì)使光學(xué)元件畸變，并且產(chǎn)生的熱噪聲足以覆蓋他們需要探測(cè)的信號(hào)。雖然LIGO 設(shè)計(jì)的光學(xué)器件已經(jīng)考慮到了熱畸變因素，但在探測(cè)時(shí)，他們需要實(shí)時(shí)的微調(diào)來(lái)匹配主光束的功率和每個(gè)光學(xué)器件的個(gè)體差異。

CO2 激光器是微調(diào)光學(xué)元件的合理方案，因?yàn)槠涔馐梢员?LIGO 光學(xué)元件高度吸收，并且能提供很高的光譜純度和功率穩(wěn)定性。如果沒(méi)有這些，他們的測(cè)量系統(tǒng)會(huì)增加很多噪聲。

為滿足 LIGO 精確的專用需求，我們開(kāi)發(fā)了單波長(zhǎng)穩(wěn)定的CO2 激光器，適用于實(shí)時(shí)自適應(yīng)系統(tǒng)中的精密控制回路，可以精確補(bǔ)償主工作光束熱效應(yīng)造成的光學(xué)元件畸變（見(jiàn)圖 3）。當(dāng)熱畸變補(bǔ)償不足時(shí)，CO2 激光器光束整形為環(huán)狀提供額外補(bǔ)償（過(guò)熱糾正）；當(dāng)補(bǔ)償過(guò)度時(shí)， CO2 激光器光束整形為在光學(xué)元件中心像盤(pán)子樣的圓斑，來(lái)削弱補(bǔ)償（欠熱糾正）。

圖3：CO2激光器在LIGO設(shè)備中用于糾正光學(xué)畸變

牙科手術(shù)

最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)人類硬組織（骨頭和牙齒）對(duì) 9.3~9.6μm的光具有很強(qiáng)的吸收能力（見(jiàn)圖 4）。研究表明，CO2 激光器是唯一能適用于口腔硬組織和軟組織處理、并且還能預(yù)防齲齒的激光器。

雖然其他波長(zhǎng)，如2.94μm 也能處理軟組織和硬組織，但是只有CO2 激光器能在 9.3μm 和 9.6μm 波長(zhǎng)提供額外的齲齒預(yù)防和清除功能。加州大學(xué)舊金山分校牙科學(xué)院院長(zhǎng)John Featherstone 教授，將這一發(fā)現(xiàn)稱為激光牙科新時(shí)代的曙光。

脈沖能量幾毫焦、脈沖寬度5~20μs 且能數(shù)千小時(shí)可靠運(yùn)行的 CO2激光器，非常適合醫(yī)療點(diǎn)牙科手術(shù)和牙科治療。雖然這項(xiàng)技術(shù)還遠(yuǎn)未被大規(guī)模采用，但是基于 9.3μm 脈沖 CO2激光器的商業(yè)牙科設(shè)備，現(xiàn)在已經(jīng)上市用于牙科硬組織和軟組織治療。

圖4：牙釉質(zhì)紅外透射譜線顯示在9.6μm處有強(qiáng)吸收

這與CO2激光器的譜線重疊

加工新材料

隨著制造業(yè)繼續(xù)向全過(guò)程自動(dòng)化發(fā)展的全球趨勢(shì)，激光器正在改變一些傳統(tǒng)加工方式的價(jià)值主張，如包裝行業(yè)中材料的刀切和沖壓。亞馬遜等一些公司，正在驅(qū)動(dòng)一場(chǎng)從“傳統(tǒng)的固定尺寸的紙箱包裝方式”到柔性包裝的變革。所謂柔性包裝，即使用新型塑料材料，并且現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)建，能完全符合特定貨物的需求。

這種新型柔性包裝重量更輕，并能安全地生物降解，既降低了運(yùn)輸和包裝的成本，又減少了對(duì)環(huán)境的污染，這是亞馬遜未來(lái)重要的績(jī)效指標(biāo)。這種轉(zhuǎn)變能夠?qū)崿F(xiàn)，是因?yàn)榧す馀c刀具不同，它們不會(huì)變鈍，并且能提供遠(yuǎn)超過(guò)機(jī)械系統(tǒng)的可重復(fù)性和精確性。

新型多層塑料在 CO2 光譜范圍內(nèi)某個(gè)特殊譜線處，具有很強(qiáng)的吸收峰，或者在切割過(guò)程中，塑料層一層層移動(dòng)時(shí)，要求激光器的波長(zhǎng)能隨之變化。代替大型切割系統(tǒng)需要一個(gè)激光器陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)消融，且?guī)缀醪划a(chǎn)生熱影響區(qū)，同時(shí)能以每秒移動(dòng)數(shù)百英尺來(lái)切割很大的幅面。滿足這種特殊應(yīng)用的激光器，需要在單個(gè)譜線上具有很高精度，峰值功率與平均功率比值大于 100:1 甚至更高，而且脈沖頻率非常高（>10kHz）。

傳統(tǒng)上，如此高的峰值功率和重復(fù)頻率需要 Q 開(kāi)關(guān)或其他外在調(diào)制技術(shù)，這對(duì)要求成本效益的包裝行業(yè)大規(guī)模部署而言，過(guò)于昂貴。相比之下，我們正在開(kāi)發(fā)的 CO2 激光器體積小巧，無(wú)需外部調(diào)制就能獲得上千瓦的峰值功率，能很好地滿足包裝行業(yè)的需求。實(shí)際上，制造、醫(yī)療和材料科學(xué)領(lǐng)域的最新趨勢(shì)，都在推動(dòng) CO2激光器從過(guò)去半個(gè)世紀(jì)以來(lái)的“按瓦論價(jià)”的價(jià)值主張，演進(jìn)到“以客戶為中心、量身定制”的新時(shí)代。

來(lái)源：文/Yong Zhang，Tim Killeen；大通激光