簡介

二氧化碳(CO₂)激光器是工業(yè)應(yīng)用中歷史最為悠久的激光器之一，經(jīng)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(yīng)用領(lǐng)域中尤為如此。本文將介紹在這種增長的背后，全新的應(yīng)用領(lǐng)域和激光器技術(shù)的發(fā)展起到了怎樣的推動作用。

技術(shù)發(fā)展涉及一系列市場需求特征，包括光束質(zhì)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(shè)備制造有限公司的實踐經(jīng)驗。該公司是激光切割及雕刻系統(tǒng)的領(lǐng)先供應(yīng)商，主要支持CO₂激光器四種不同的應(yīng)用領(lǐng)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(biāo)以及石刻。

長波長激光器加工非金屬材料

目前，CO₂激光器應(yīng)用的增長主要集中在非金屬材料領(lǐng)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(jī)材料高效吸收。比較而言，光纖激光器、半導(dǎo)體泵浦固體(DPSS)激光器以及高功率直接半導(dǎo)體激光器所產(chǎn)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(zhuǎn)化為更為強烈的加熱效果，聚焦區(qū)域更為集中。因此，可產(chǎn)生更高的材料加工效率、優(yōu)質(zhì)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(chǎn)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(lǐng)域重要應(yīng)用——鉆微孔應(yīng)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(shù)（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(biāo)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(xì)。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(xì)的切割效果和更小的孔尺寸在許多應(yīng)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(yīng)用中可以繼續(xù)使用這些經(jīng)濟(jì)高效的激光器，而無需轉(zhuǎn)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。