文/John Wallace

盡管發(fā)射波長接近5 μm的一氧化碳（CO）激光器已經(jīng)存在了幾十年，但是其并沒有獲得像“與其相似的、主要輸出波長為10.6 μm的二氧化碳（CO₂）激光器”那么多的應(yīng)用。最近，美國相干公司發(fā)布了一款CO激光器，其專門設(shè)計(jì)用于材料加工（如玻璃切割）、醫(yī)療、光譜學(xué)和研究等應(yīng)用。

“與CO₂激光器一樣，CO激光技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)60年代中期，”相干公司CO₂激光器事業(yè)部市場銷售總監(jiān)Andrew Held說，“CO激光器之所以具有吸引力，是因?yàn)槠渚哂斜?/span>CO₂激光器效率高兩倍的潛力。然而，CO激光器也面臨著一定的挑戰(zhàn)：早期的CO激光器需要冷卻才能高效地獲得高功率（非常高功率的版本實(shí)際上采用低溫冷卻），并且激光器輸出功率會迅速下降。典型壽命最多只有幾十個小時。因此，CO₂激光技術(shù)便在隨后的發(fā)展中‘勝出’，并且逐漸發(fā)展成為氣體激光器的標(biāo)準(zhǔn)。”

但是相干公司已經(jīng)通過自身的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種CO激光器設(shè)計(jì)，其能在室溫下高效運(yùn)行于5~6 μm的波長范圍，具有高輸出功率，并且能持續(xù)數(shù)千小時，Held說。新型CO激光器采用了很多與“相干公司多年來為CO₂激光器研發(fā)的技術(shù)”相同的技術(shù)；例如，相干公司CO₂激光器使用的射頻（RF）供電技術(shù)可以應(yīng)用于CO激光器。

相干公司已經(jīng)測試了許多基于該公司的波導(dǎo)和板條架構(gòu)的、不同的CO激光器原型；激光輸出功率從20 W到1 kW以上不等。該公司已經(jīng)在2015年6月的德國慕尼黑光電展上展示了首臺高功率CO激光器，可以運(yùn)行于高峰值功率脈沖模式，平均功率達(dá)到200 W甚至更高。

“采用5 μm進(jìn)行材料加工有許多優(yōu)勢，其中最主要的是光/材料相互作用方面的優(yōu)勢，”Held說。“與CO₂激光器9~11 μm的激光輸出波長相比，該CO激光器5 μm的輸出波長可以產(chǎn)生顯著區(qū)別的相互作用，這可以簡單地歸因于不同的吸收系數(shù)。許多薄膜、聚合物、印刷電路板電介質(zhì)、陶瓷和復(fù)合材料對CO₂激光具有（比CO激光）更強(qiáng)的吸收。5~6 μm的激光在硫系和重金屬氟化物光纖中具有非常低的衰減，展現(xiàn)了適用于光纖傳輸?shù)臐摿�。無法實(shí)現(xiàn)CO₂激光器的光纖耦合輸出是其相對光纖激光器的一項(xiàng)主要缺點(diǎn)。”

圖1：利用Nomarski微分干涉差顯微鏡觀察的0.7 mm厚康寧CT24玻璃的橫截面圖。CO₂激光器切割的樣品表現(xiàn)出殘余應(yīng)力（a），而利用CO激光器進(jìn)行的切割沒有缺陷（b）。

玻璃切割

受這種吸收系數(shù)的差異影響最顯著的一項(xiàng)應(yīng)用是玻璃切割，Held解釋說（見圖1）。“在基于CO₂激光器的玻璃切割中，10.6 μm的輸出在表面被強(qiáng)烈吸收。在表面產(chǎn)生的熱隨后必將擴(kuò)散到體材料中；隨后采用水噴式冷卻以產(chǎn)生熱沖擊，從而在玻璃中產(chǎn)生劃線。對于較厚的玻璃基板，之后再采用機(jī)械斷裂。CO激光器的整個工藝是相同的；然而，5 μm輸出的玻璃吸收要低得多。因此，光直接滲透并進(jìn)一步深入到體材料中，使得在玻璃的厚度上加熱更均勻。”

Held補(bǔ)充說，測試結(jié)果已經(jīng)展示了幾項(xiàng)重要的優(yōu)點(diǎn)，包括無表面熔化、無裂紋，且在玻璃中無殘余應(yīng)力。其結(jié)果是更高質(zhì)量的切割、更強(qiáng)的玻璃和更寬的切割加工窗口。

CO激光也使得徑向（自由）玻璃切割成為可能；與此相反，CO₂激光器只能進(jìn)行直線切割，因?yàn)楣逃械膱A形輸出光束必須被重新整形為長的細(xì)光束，以分散在表面產(chǎn)生的熱量。彎曲切割在智能手機(jī)顯示屏應(yīng)用中尤其重要，因?yàn)榻?jīng)常需要彎曲的轉(zhuǎn)角或形狀以適應(yīng)按鈕和控制。利用CO激光器可能實(shí)現(xiàn)彎曲和自由形式的切割，其圓形光束直接穿透進(jìn)入玻璃，不會出現(xiàn)由于控制擴(kuò)散過程的困難而產(chǎn)生的不良熱效應(yīng)。此外，CO激光器的波長更短，可以獲得比CO₂激光器更小的聚焦光斑，或者對于同樣的光斑大小具有更大的焦深；更大的焦深可以獲得更大的加工窗口，使得區(qū)域加工時具有更大的視場。