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CO2激光器未来的曙光是什么?

2017-03-28 09:31
月城清浅
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CO2 激光器由 C. Kumar N.Patel 于 1964 年在贝尔实验室创造,其在一日千里的光电职业中可谓一项陈旧的技能。虽然呈现的时刻较长,可是 CO2 激光技能凭借着其共同的波长、功率和光谱纯度,依然在商场上生计并持续昌盛。

由于许多天然资料和组成资料在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在的波段,这为 CO2 激光器在资料加工和光谱剖析范畴供给了许多时机。这个波段也包含在大气传输窗口内,因而也是许多传感和测距使用的抱负挑选(见图 1)。

典型的 CO2 激光器由含有 CO2分子的混合气体发生气体放电而构成。由于分子振荡和滚动的能级十分挨近,CO2 分子在这些能级之间跃迁发生的光子与可见光和近红外光比较,能量更低,波长更长。

图1:图(a)显现了CO2激光器的光谱在电磁波谱线的红框规模内,

是常用的大气传输窗口;图(b)显现了9个不同的CO2同位素的频率和波长规模。

CO2 激光器能够供给从毫瓦到上万瓦的功率规模,可用于制作仪器设备,也能够用于强力切开。由于 CO2激光器有很高光谱纯度,线宽可达1kHz 以下而不用献身功率,转化功率可达 10%。这些特色使得 CO2 激光器能够担任资料加工范畴的新使用、激光测距和雷达、热像视觉辅佐及靶向医疗等使用。

自被创造几十年来,现已有许多CO2 激光器使用到医疗、制作及科研范畴,从我国高速矿泉水瓶出产线上的 4 位数字码打印,到德国的奔跑轿车零件焊接。即便在今天光纤激光器正在腐蚀着 CO2 激光器的许多商场、以及量子级联激光器不断创始新范畴的情况下,假如 CO2 激光器向着专用范畴开展,其依然会在商场上赢得广泛使用。

应战竞赛

虽然具有这些长时间优势,可是 CO2 激光器现已在一些方面遭受应战。光纤激光器和量子级联激光器现已扩展到了许多之前由 CO2 激光器主导的使用范畴。

在工业使用中,高功率光纤激光器能供给更高的功率、其能量能被金属资料更好地吸收,而且愈加具有本钱优势。可是,CO2 激光器依然是加工许多非金属资料的仅有办法,由于这些资料不能吸收光纤激光器的近红外波长。

量子级联激光器能发生 2~12μm规模的波长,而且体积愈加紧凑,已成为光谱学使用中的一个重要东西。可是,许多坐落 8~12μm 长波红外波段的传感、光谱灵敏的工业和医疗使用,需求更高的功率、更好的光谱纯度、极好的相干性和安稳的空间形式,这些只要 CO2 激光器能够完成。

除了技能上的应战,我国不断扩张的激光工业也导致价格越来越低。规范的 CO2 激光器正敏捷商品化,进入门槛和赢利都急速下降。三年前,我国公司购买美国制作的 30W CO2激光器需求 4500 美元 ;而现在,国产 CO2 激光器进入商场,将价格拉低到 2000 美元。

这些要素标志着“按瓦论价”的年代现已完毕 ;在按瓦论价的年代,公司出产特定平均功率、能适用多个范畴的激光器,价格与瓦数成正比。选用这种战略,一些高度成功的公司如 Synrad、Coherent 和 Rofin等公司,能供给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、手机装配线等范畴获得了广泛使用。

虽然 CO2 激光器作为“对一切用处一刀切解决计划”的竞赛办法现已完毕,可是跟着新资料加工的出现,以及日益严厉的工业和科研加工要求,这些均需求新的专用激光器,需求对激光器真实的价值建议有更深的技能了解,需求一种彻底不同的办法制作并推行 CO2 激光器。CO2 激光器正在应对这些新的应战。

在制作方面,这种新的形式需求调整 CO2 激光器的各种目标,密切配合客户的特定需求。在商场方面,从之前的平均功率和“按瓦论价”的价值建议,转变为客户定制化解决计划,依据特定的资料和使用需求,规划激光器的脉冲形状、峰值功率、专用波长和作业安稳性。

极紫外光刻

在测验拓宽摩尔定律时,CO2 激光器被认为是经过激光生成等离子体(LPP)发生极紫外(EUV)辐射的最佳东西。这种 13.5nm 的 EUV 光是经过蒸腾锡的熔融液滴发生的。针对这项使用也测验了 Nd:YAG 等其他激光器,结果表明它们在发生更高速、高质量等离子体特色的光学薄羽流方面,功率更低,这是由于锡对 CO2 激光器照耀具有更高的反射率。

为了发生 EUV 光,CO2 激光器需求供给一连串波长 10.6μm、光学质量近乎完美、高速且彻底相同的脉冲,具有半导体职业所要求的清洁度、精确度和可重复性。

为了满意这些严厉的要求,用于EUV 的 CO2 激光器从原资料处理到终究测验(见图 2)的一切工序,都彻底在 ISO Class 7 等级的洁净室内进行。每台激光器都经过 12 小时的接连开机测验,彻底符合测验标准,由于任何误差都或许导致数千枚半导体芯片的失利。

图2:用于发生EUV光的CO2激光器,正在一座现代化制作工厂中承受严厉测验。

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