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。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大的激光產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)推動價格走到低谷。標準二氧化碳激光器正在成為一種純粹的商品，進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入市場參與競爭。

這些因素標志著公司按指定平均功率生產(chǎn)激光器、價格與所交付的功率成比例的“每瓦每美元”時代的結(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)科學過程所帶來的挑戰(zhàn)，需要對激光器真正價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的方式轉(zhuǎn)向客戶特定方案訂價，如脈沖整形、峰值功率、波長特征以及運作穩(wěn)定性匹配特殊材料及應(yīng)用需求。

EUV光刻

在探索擴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，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，因為錫對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)的光學流。

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

為了滿足這些嚴格的要求，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）。每個激光器都要經(jīng)過連續(xù)12小時輸出測試，完全符合測試規(guī)范，因為任何偏差都可能產(chǎn)生數(shù)千個故障半導(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)過嚴格的測試

消除LIGO失真

由干涉儀光學器件吸收任何光子，這會使光學器件失真，并產(chǎn)生足夠的熱噪聲掩蓋有用的檢測信號。雖然LIGO設(shè)計光學器件時會考慮熱失真，但實際上需要實時微調(diào)以匹配主光束的功率和每個光學器件的個別質(zhì)量。

二氧化碳激光器是調(diào)節(jié)光學器件的合理方式，因為其輸出的光束被LIGO的光學器件高度吸收，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，適用于在實時自適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)非常精準控制回路，精確抵消光學畸變（見圖3）。當光學元件對熱變形進行補償不足時，CO2激光束成形為環(huán)以提供額外的補償（過熱校正），而如果光學元件被過度補償，則CO2激光光束在光學元件的中心成形為盤，以減弱補償（欠熱校正）。

圖3 二氧化碳激光器用于校正LIGO儀器中的光學失真

牙科手術(shù)
   
最近，科學家發(fā)現(xiàn)人類硬組織（骨骼和牙齒）在9.3-9.6μm范圍內(nèi)具有強烈的吸收（參見圖6）。研究還表明，CO2激光器獨特地適用于硬、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。舊金山牙科學院院長約翰·費瑟斯通教授將這一發(fā)現(xiàn)比作激光牙科新時代的太陽升起。

脈沖能量為多毫焦耳，脈沖長度為5-20μs，可靠運行時間達數(shù)千小時，CO2激光器獨特的性能適用于牙科手術(shù)和治療。雖然這項技術(shù)遠未實現(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)向全進程自動化全球轉(zhuǎn)變，激光器正在改變傳統(tǒng)工藝的價值主張，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一項改革，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，降低了運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。這種轉(zhuǎn)變通過以下事實實現(xiàn)：激光器不斷發(fā)展，并且提供遠超過機械系統(tǒng)的可重復(fù)性和準確性。

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，同時跟蹤每秒移動數(shù)百英尺的網(wǎng)。這種專用激光器需要在光譜中的單個波長處具有高精度，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。事實上，制造業(yè)、醫(yī)學和材料科學的最新趨勢正在迫使過去半個世紀的“美元/瓦特”的價值主張演變?yōu)镃O2激光器的以客戶為中心、定制應(yīng)用的時代。