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CO2激光器發展應用新趨勢

文章來源: 人氣:1042 發表時間:2018-01-23

隨著制造業繼續向全過程自動化發展的全球趨勢,激光器正在改變一些傳統加工方式的價值主張,如包裝行業中材料的刀切和沖壓。正在驅動一場從“傳統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,并且現場創建,能完全符合特定貨物的需求。

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CO2 激光器被認為是通過激光生成等離子體(LPP)產生極紫外(EUV)輻射的最佳工具。這種 13.5nm 的 EUV 光是通過蒸發錫的熔融液滴產生的。針對這項應用也測試了 Nd:YAG 等其他激光器,結果表明它們在產生更高速、高質量等離子體屬性的光學薄羽流方面,效率更低,這是因為錫對 CO2 激光器照射具有更高的反射率。

  為了產生 EUV 光,CO2 激光器需要提供一連串波長 10.6μm、光學質量近乎完美、高速且完全相同的脈沖,具有半導體行業所要求的清潔度、精確度和可重復性。

  為了滿足這些嚴格的要求,用于EUV 的 CO2 激光器從原材料處理到最終測試的所有工序,都完全在 ISO Class 7 級別的潔凈室內進行。每臺激光器都通過 12 小時的連續開機測試,完全符合測試規格,因為任何偏差都可能導致數千枚半導體芯片的失敗。

  

  糾正LIGO光學元件畸變

  在與激光干涉引力波天文臺(LIGO)引力波探測機構長達十幾年的項目合作中,我們提供了關鍵技術來協助驗證引力波的存在。雖然愛因斯坦在很早之前就已經預測了引力波的存在,但它們的理論信號太小,以至于他懷疑是否能建立具備足夠高靈敏度的裝置,進而探測到如此微小的宇宙雜音。

  LIGO 的科學家遇到了一個非常特殊的問題。任何光子被干涉儀光學器件吸收,即便是三百三十萬分之一,都會使光學元件畸變,并且產生的熱噪聲足以覆蓋他們需要探測的信號。雖然LIGO 設計的光學器件已經考慮到了熱畸變因素,但在探測時,他們需要實時的微調來匹配主光束的功率和每個光學器件的個體差異。

  CO2 激光器是微調光學元件的合理方案,因為其光束可以被 LIGO 光學元件高度吸收,并且能提供很高的光譜純度和功率穩定性。如果沒有這些,他們的測量系統會增加很多噪聲。

  為滿足 LIGO 精確的專用需求,我們開發了單波長穩定的CO2 激光器,適用于實時自適應系統中的精密控制回路,可以精確補償主工作光束熱效應造成的光學元件畸變。當熱畸變補償不足時,CO2 激光器光束整形為環狀提供額外補償(過熱糾正);當補償過度時, CO2 激光器光束整形為在光學元件中心像盤子樣的圓斑,來削弱補償(欠熱糾正)。

  

  牙科手術

  最近,科學家發現人類硬組織(骨頭和牙齒)對 9.3~9.6μm的光具有很強的吸收能力。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、并且還能預防齲齒的激光器。

  

  雖然其他波長,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 波長提供額外的齲齒預防和清除功能。加州大學舊金山分校牙科學院院長John Featherstone 教授,將這一發現稱為激光牙科新時代的曙光。

  脈沖能量幾毫焦、脈沖寬度5~20μs 且能數千小時可靠運行的 CO2

  激光器,非常適合醫療點牙科手術和牙科治療。雖然這項技術還遠未被大規模采用,但是基于 9.3μm 脈沖 CO2激光器的商業牙科設備,現在已經上市用于牙科硬組織和軟組織治療。

  加工新材料

  隨著制造業繼續向全過程自動化發展的全球趨勢,激光器正在改變一些傳統加工方式的價值主張,如包裝行業中材料的刀切和沖壓。亞馬遜等一些公司,正在驅動一場從“傳統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,并且現場創建,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,既降低了運輸和包裝的成本,又減少了對環境的污染,這是亞馬遜未來重要的績效指標。這種轉變能夠實現,是因為激光與刀具不同,它們不會變鈍,并且能提供遠超過機械系統的可重復性和精確性。

  新型多層塑料在 CO2 光譜范圍內某個特殊譜線處,具有很強的吸收峰,或者在切割過程中,塑料層一層層移動時,要求激光器的波長能隨之變化。代替大型切割系統需要一個激光器陣列來實現消融,且幾乎不產生熱影響區,同時能以每秒移動數百英尺來切割很大的幅面。滿足這種特殊應用的激光器,需要在單個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)。

  傳統上,如此高的峰值功率和重復頻率需要 Q 開關或其他外在調制技術,這對要求成本效益的包裝行業大規模部署而言,過于昂貴。相比之下,我們正在開發的 CO2 激光器體積小巧,無需外部調制就能獲得上千瓦的峰值功率,能很好地滿足包裝行業的需求。實際上,制造、醫療和材料科學領域的最新趨勢,都在推動 CO2激光器從過去半個世紀以來的“按瓦論價”的價值主張,演進到“以客戶為中心、量身定制”的新時代。


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