CO2激光器发展应用新趋势

文章来源: 人气:1031 发表时间:2018-01-23

随着制造业继续向全过程自动化发展的全球趋势,激光器正在改变一些传统加工方式的价值主张,如包装行业中材料的刀切和冲压。正在驱动一场从“传统的固定尺寸的纸箱包装方式”到柔性包装的变革。所谓柔性包装,即使用新型塑料材料,并且现场创建,能完全符合特定货物的需求。

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CO2 激光器被认为是通过激光生成等离子体(LPP)产生极紫外(EUV)辐射的最佳工具。这种 13.5nm 的 EUV 光是通过蒸发锡的熔融液滴产生的。针对这项应用也测试了 Nd:YAG 等其他激光器,结果表明它们在产生更高速、高质量等离子体属性的光学薄羽流方面,效率更低,这是因为锡对 CO2 激光器照射具有更高的反射率。

  为了产生 EUV 光,CO2 激光器需要提供一连串波长 10.6μm、光学质量近乎完美、高速且完全相同的脉冲,具有半导体行业所要求的清洁度、精确度和可重复性。

  为了满足这些严格的要求,用于EUV 的 CO2 激光器从原材料处理到最终测试的所有工序,都完全在 ISO Class 7 级别的洁净室内进行。每台激光器都通过 12 小时的连续开机测试,完全符合测试规格,因为任何偏差都可能导致数千枚半导体芯片的失败。

  

  纠正LIGO光学元件畸变

  在与激光干涉引力波天文台(LIGO)引力波探测机构长达十几年的项目合作中,我们提供了关键技术来协助验证引力波的存在。虽然爱因斯坦在很早之前就已经预测了引力波的存在,但它们的理论信号太小,以至于他怀疑是否能建立具备足够高灵敏度的装置,进而探测到如此微小的宇宙杂音。

  LIGO 的科学家遇到了一个非常特殊的问题。任何光子被干涉仪光学器件吸收,即便是三百三十万分之一,都会使光学元件畸变,并且产生的热噪声足以覆盖他们需要探测的信号。虽然LIGO 设计的光学器件已经考虑到了热畸变因素,但在探测时,他们需要实时的微调来匹配主光束的功率和每个光学器件的个体差异。

  CO2 激光器是微调光学元件的合理方案,因为其光束可以被 LIGO 光学元件高度吸收,并且能提供很高的光谱纯度和功率稳定性。如果没有这些,他们的测量系统会增加很多噪声。

  为满足 LIGO 精确的专用需求,我们开发了单波长稳定的CO2 激光器,适用于实时自适应系统中的精密控制回路,可以精确补偿主工作光束热效应造成的光学元件畸变。当热畸变补偿不足时,CO2 激光器光束整形为环状提供额外补偿(过热纠正);当补偿过度时, CO2 激光器光束整形为在光学元件中心像盘子样的圆斑,来削弱补偿(欠热纠正)。

  

  牙科手术

  最近,科学家发现人类硬组织(骨头和牙齿)对 9.3~9.6μm的光具有很强的吸收能力。研究表明,CO2 激光器是唯一能适用于口腔硬组织和软组织处理、并且还能预防龋齿的激光器。

  

  虽然其他波长,如2.94μm 也能处理软组织和硬组织,但是只有CO2 激光器能在 9.3μm 和 9.6μm 波长提供额外的龋齿预防和清除功能。加州大学旧金山分校牙科学院院长John Featherstone 教授,将这一发现称为激光牙科新时代的曙光。

  脉冲能量几毫焦、脉冲宽度5~20μs 且能数千小时可靠运行的 CO2

  激光器,非常适合医疗点牙科手术和牙科治疗。虽然这项技术还远未被大规模采用,但是基于 9.3μm 脉冲 CO2激光器的商业牙科设备,现在已经上市用于牙科硬组织和软组织治疗。

  加工新材料

  随着制造业继续向全过程自动化发展的全球趋势,激光器正在改变一些传统加工方式的价值主张,如包装行业中材料的刀切和冲压。亚马逊等一些公司,正在驱动一场从“传统的固定尺寸的纸箱包装方式”到柔性包装的变革。所谓柔性包装,即使用新型塑料材料,并且现场创建,能完全符合特定货物的需求。

  这种新型柔性包装重量更轻,并能安全地生物降解,既降低了运输和包装的成本,又减少了对环境的污染,这是亚马逊未来重要的绩效指标。这种转变能够实现,是因为激光与刀具不同,它们不会变钝,并且能提供远超过机械系统的可重复性和精确性。

  新型多层塑料在 CO2 光谱范围内某个特殊谱线处,具有很强的吸收峰,或者在切割过程中,塑料层一层层移动时,要求激光器的波长能随之变化。代替大型切割系统需要一个激光器阵列来实现消融,且几乎不产生热影响区,同时能以每秒移动数百英尺来切割很大的幅面。满足这种特殊应用的激光器,需要在单个谱线上具有很高精度,峰值功率与平均功率比值大于 100:1 甚至更高,而且脉冲频率非常高(>10kHz)。

  传统上,如此高的峰值功率和重复频率需要 Q 开关或其他外在调制技术,这对要求成本效益的包装行业大规模部署而言,过于昂贵。相比之下,我们正在开发的 CO2 激光器体积小巧,无需外部调制就能获得上千瓦的峰值功率,能很好地满足包装行业的需求。实际上,制造、医疗和材料科学领域的最新趋势,都在推动 CO2激光器从过去半个世纪以来的“按瓦论价”的价值主张,演进到“以客户为中心、量身定制”的新时代。


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