CO2 激光器由 C. Kumar N.Patel 于 1964 年在貝爾實(shí)驗室發(fā)明，其在日新月異的光電行業(yè)中堪稱(chēng)一項古老的技術(shù)。盡管出現的時(shí)間較長(cháng)，但是 CO2 激光技術(shù)憑借著(zhù)其獨特的波長(cháng)、功率和光譜純度，依然在市場(chǎng)上生存并繼續繁榮。

因為很多天然材料和合成材料在9~12μm 具有很強的吸收峰，而這恰好是 CO2 激光器的輸出波長(cháng)所處的波段，這為 CO2 激光器在材料加工和光譜分析領(lǐng)域提供了大量機會(huì )。這個(gè)波段也包含在大氣傳輸窗口內，因此也是很多傳感和測距應用的理想選擇（見(jiàn)圖 1）。

典型的 CO2 激光器由含有 CO2分子的混合氣體產(chǎn)生氣體放電而形成。因為分子振動(dòng)和轉動(dòng)的能級非常接近，CO2 分子在這些能級之間躍遷產(chǎn)生的光子與可見(jiàn)光和近紅外光相比，能量更低，波長(cháng)更長(cháng)。

圖1：圖（a）顯示了CO2激光器的光譜在電磁波譜線(xiàn)的紅框范圍內，

是常用的大氣傳輸窗口；圖（b）顯示了9個(gè)不同的CO2同位素的頻率和波長(cháng)范圍。

CO2 激光器可以提供從毫瓦到上萬(wàn)瓦的功率范圍，可用于制造儀器設備，也可以用于強力切割。因為 CO2激光器有很高光譜純度，線(xiàn)寬可達1kHz 以下而不必犧牲功率，轉換效率可達 10%。這些特點(diǎn)使得 CO2 激光器能夠勝任材料加工領(lǐng)域的新應用、激光測距和雷達、熱像視覺(jué)輔助及靶向醫療等應用。

自被發(fā)明幾十年來(lái)，已經(jīng)有無(wú)數CO2 激光器應用到醫療、制造及科研領(lǐng)域，從中國高速礦泉水瓶生產(chǎn)線(xiàn)上的 4 位數字碼打印，到德國的奔馳汽車(chē)零件焊接。即使在今天光纖激光器正在侵蝕著(zhù) CO2 激光器的大量市場(chǎng)、以及量子級聯(lián)激光器不斷開(kāi)創(chuàng )新領(lǐng)域的情況下，如果 CO2 激光器向著(zhù)專(zhuān)用領(lǐng)域發(fā)展，其仍然會(huì )在市場(chǎng)上贏(yíng)得廣泛應用。

挑戰競爭

盡管擁有這些長(cháng)期優(yōu)勢，但是 CO2 激光器已經(jīng)在一些方面遭遇挑戰。光纖激光器和量子級聯(lián)激光器已經(jīng)擴展到了很多之前由 CO2 激光器主導的應用領(lǐng)域。

在工業(yè)應用中，高功率光纖激光器能提供更高的效率、其能量能被金屬材料更好地吸收，并且更加具有成本優(yōu)勢。然而，CO2 激光器仍然是加工很多非金屬材料的唯一方式，因為這些材料不能吸收光纖激光器的近紅外波長(cháng)。

量子級聯(lián)激光器能產(chǎn)生 2~12μm范圍的波長(cháng)，并且體積更加緊湊，已成為光譜學(xué)應用中的一個(gè)重要工具。然而，許多位于 8~12μm 長(cháng)波紅外波段的傳感、光譜敏感的工業(yè)和醫療應用，需要更高的功率、更好的光譜純度、極好的相干性和穩定的空間模式，這些只有 CO2 激光器可以實(shí)現。

除了技術(shù)上的挑戰，中國不斷擴張的激光產(chǎn)業(yè)也導致價(jià)格越來(lái)越低。標準的 CO2 激光器正迅速商品化，進(jìn)入門(mén)檻和利潤都急速下降。三年前，中國公司購買(mǎi)美國制造的 30W CO2激光器需要 4500 美元 ；而現在，國產(chǎn) CO2 激光器進(jìn)入市場(chǎng)，將價(jià)格拉低到 2000 美元。

這些因素標志著(zhù)“按瓦論價(jià)”的時(shí)代已經(jīng)結束 ；在按瓦論價(jià)的時(shí)代，公司生產(chǎn)特定平均功率、能適用多個(gè)領(lǐng)域的激光器，價(jià)格與瓦數成正比。采用這種策略，一些高度成功的公司如 Synrad、Coherent 和 Rofin等公司，能提供功率從幾瓦到上萬(wàn)瓦的 CO2 激光器系列，這也使得 CO2 激光器在塑料加工廠(chǎng)、牙科診所、手機裝配線(xiàn)等領(lǐng)域獲得了廣泛應用。

盡管 CO2 激光器作為“對所有用途一刀切解決方案”的競爭方式已經(jīng)結束，但是隨著(zhù)新材料加工的涌現，以及日益嚴格的工業(yè)和科研加工要求，這些均需要新的專(zhuān)用激光器，需要對激光器真正的價(jià)值主張有更深的技術(shù)理解，需要一種完全不同的方式制造并推廣 CO2 激光器。CO2 激光器正在應對這些新的挑戰。

在制造方面，這種新的模式需要調整 CO2 激光器的各種指標，密切配合客戶(hù)的特定需求。在市場(chǎng)方面，從之前的平均功率和“按瓦論價(jià)”的價(jià)值主張，轉變?yōu)榭蛻?hù)定制化解決方案，根據特定的材料和應用需要，設計激光器的脈沖形狀、峰值功率、專(zhuān)用波長(cháng)和工作穩定性。

極紫外光刻

在嘗試拓展摩爾定律時(shí)，CO2 激光器被認為是通過(guò)激光生成等離子體（LPP）產(chǎn)生極紫外（EUV）輻射的最佳工具。這種 13.5nm 的 EUV 光是通過(guò)蒸發(fā)錫的熔融液滴產(chǎn)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(chǎn)生更高速、高質(zhì)量等離子體屬性的光學(xué)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(chǎn)生 EUV 光，CO2 激光器需要提供一連串波長(cháng) 10.6μm、光學(xué)質(zhì)量近乎完美、高速且完全相同的脈沖，具有半導體行業(yè)所要求的清潔度、精確度和可重復性。

為了滿(mǎn)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（見(jiàn)圖 2）的所有工序，都完全在 ISO Class 7 級別的潔凈室內進(jìn)行。每臺激光器都通過(guò) 12 小時(shí)的連續開(kāi)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。

圖2：用于產(chǎn)生EUV光的CO2激光器，正在一座現代化制造工廠(chǎng)中接受?chē)栏駵y試。

糾正LIGO光學(xué)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(cháng)達十幾年的項目合作中，我們提供了關(guān)鍵技術(shù)來(lái)協(xié)助驗證引力波的存在。雖然愛(ài)因斯坦在很早之前就已經(jīng)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(jìn)而探測到如此微小的宇宙雜音。

LIGO 的科學(xué)家遇到了一個(gè)非常特殊的問(wèn)題。任何光子被干涉儀光學(xué)器件吸收，即便是三百三十萬(wàn)分之一，都會(huì )使光學(xué)元件畸變，并且產(chǎn)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(xué)器件已經(jīng)考慮到了熱畸變因素，但在探測時(shí)，他們需要實(shí)時(shí)的微調來(lái)匹配主光束的功率和每個(gè)光學(xué)器件的個(gè)體差異。

CO2 激光器是微調光學(xué)元件的合理方案，因為其光束可以被 LIGO 光學(xué)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(méi)有這些，他們的測量系統會(huì )增加很多噪聲。

為滿(mǎn)足 LIGO 精確的專(zhuān)用需求，我們開(kāi)發(fā)了單波長(cháng)穩定的CO2 激光器，適用于實(shí)時(shí)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(xué)元件畸變（見(jiàn)圖 3）。當熱畸變補償不足時(shí)，CO2 激光器光束整形為環(huán)狀提供額外補償（過(guò)熱糾正）；當補償過(guò)度時(shí)， CO2 激光器光束整形為在光學(xué)元件中心像盤(pán)子樣的圓斑，來(lái)削弱補償（欠熱糾正）。

圖3：CO2激光器在LIGO設備中用于糾正光學(xué)畸變。

牙科手術(shù)

最近，科學(xué)家發(fā)現人類(lèi)硬組織（骨頭和牙齒）對 9.3~9.6μm的光具有很強的吸收能力（見(jiàn)圖 4）。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。

圖4：牙釉質(zhì)紅外透射譜線(xiàn)顯示在9.6μm處有強吸收，這與CO2激光器的譜線(xiàn)重疊。

雖然其他波長(cháng)，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(cháng)提供額外的齲齒預防和清除功能。加州大學(xué)舊金山分校牙科學(xué)院院長(cháng)John Featherstone 教授，將這一發(fā)現稱(chēng)為激光牙科新時(shí)代的曙光。

脈沖能量幾毫焦、脈沖寬度5~20μs 且能數千小時(shí)可靠運行的 CO2

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

加工新材料

隨著(zhù)制造業(yè)繼續向全過(guò)程自動(dòng)化發(fā)展的全球趨勢，激光器正在改變一些傳統加工方式的價(jià)值主張，如包裝行業(yè)中材料的刀切和沖壓。亞馬遜等一些公司，正在驅動(dòng)一場(chǎng)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(chǎng)創(chuàng )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(huán)境的污染，這是亞馬遜未來(lái)重要的績(jì)效指標。這種轉變能夠實(shí)現，是因為激光與刀具不同，它們不會(huì )變鈍，并且能提供遠超過(guò)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(gè)特殊譜線(xiàn)處，具有很強的吸收峰，或者在切割過(guò)程中，塑料層一層層移動(dòng)時(shí)，要求激光器的波長(cháng)能隨之變化。代替大型切割系統需要一個(gè)激光器陣列來(lái)實(shí)現消融，且幾乎不產(chǎn)生熱影響區，同時(shí)能以每秒移動(dòng)數百英尺來(lái)切割很大的幅面。滿(mǎn)足這種特殊應用的激光器，需要在單個(gè)譜線(xiàn)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(kāi)關(guān)或其他外在調制技術(shù)，這對要求成本效益的包裝行業(yè)大規模部署而言，過(guò)于昂貴。相比之下，我們正在開(kāi)發(fā)的 CO2 激光器體積小巧，無(wú)需外部調制就能獲得上千瓦的峰值功率，能很好地滿(mǎn)足包裝行業(yè)的需求。實(shí)際上，制造、醫療和材料科學(xué)領(lǐng)域的最新趨勢，都在推動(dòng) CO2激光器從過(guò)去半個(gè)世紀以來(lái)的“按瓦論價(jià)”的價(jià)值主張，演進(jìn)到“以客戶(hù)為中心、量身定制”的新時(shí)代。