简介

二氧化碳(CO₂)激光器是工业应用中历史最为悠久的激光器之一，经历近五十年的发展，市场对这类稳健耐用型激光器的需求正以前所未有的速度飞快增长，在中国的制造应用领域中尤为如此。本文将介绍在这种增长的背后，全新的应用领域和激光器技术的发展起到了怎样的推动作用。

技术发展涉及一系列市场需求特征，包括光束质量、小体积、高可靠性、多种输出功率和低购置成本等。为此，我们还将介绍武汉三工光电设备制造有限公司的实践经验。该公司是激光切割及雕刻系统的领先供应商，主要支持CO₂激光器四种不同的应用领域：背光制造、定制贺卡制造、服装行业纺织物和皮革切割/打标以及石刻。

长波长激光器加工非金属材料

目前，CO₂激光器应用的增长主要集中在非金属材料领域，因为这些激光器输出的红外波长可被塑料、纸张、薄膜、布料、皮革、石材和木材等多种有机材料高效吸收。比较而言，光纤激光器、半导体泵浦固体(DPSS)激光器以及高功率直接半导体激光器所产生的近红外波长则不能被大多数非金属有效吸收。CO₂输出的高吸收率转化为更为强烈的加热效果，聚焦区域更为集中。因此，可产生更高的材料加工效率、优质的边缘粗糙度和烧焦痕迹，而且热影响区(HAZ)更小。

波长的选择

一直以来，虽然CO₂激光器仅有10.6 µm波长的型号，实际上我们已有能力造出输出波长在9 µm至11 µm 范围的多种不同类型的CO₂激光器。激光器输出波长即使发生微小差异，也会对塑料（尤其是较薄板材和薄膜）的加工效率和速度产生重大影响。原因是，大多数聚合物塑料的红外吸收光谱都有众多窄峰。因此，激光器波长中的微小偏移会对吸收效率造成巨大的影响。由于膜材普遍很薄，所以吸收率上很小的差异就会引发很大的不同。因此，精确匹配波长可以最大程度地提高能量吸收，从而加快特定功率激光器的加工速度。

几年前，相干公司率先研制出9.2 µm以上其他波长的工业用CO₂激光器。选择这种波长是因为它与几种重要塑料的吸收光谱的波峰十分匹配，包括在印刷电路板(PCB)中使用的聚酰亚胺。如今，这一波长已成为PCB领域重要应用——钻微孔应用的主要波长。

最近，相干公司发布了波长为10.2 µm的CO₂激光器。选择这种波长是因为它与聚丙烯(PP)材料较强的吸收波峰十分匹配。这种波长因其优越的效率/速度受到众多用户的青睐，尤其用于包装行业更薄膜材的加工。

在最近于德国慕尼黑举办的2015LASER World of PHOTONICS)展览会上，相干公司发布了第一款选用一氧化碳(CO)技术（而非CO₂）的工业用激光器。这些激光器可提供与众不同的5 µm中红外输出波长。这种新波长有两个优势。首先，如上文所述，它与目标材料的吸收峰值十分匹配，可以实现更高的加工速度和效率。更为重要的是，与10 µm的输出相比，这种波长可打出更小的孔，切割效果也更为精细。原因是激光的聚焦极限从根本上受到衍射的限制，而波长越长，衍射越明显。所以波长减少一半，最小特征尺寸也会随之减半。显然，更精细的切割效果和更小的孔尺寸在许多应用中都是一个优势。此外，由于很多行业的小型化趋势一直在持续，所以在某些尖端应用中可以继续使用这些经济高效的激光器，而无需转用输出更短波长的固态激光器，避免了较高的成本功率比。