激光器發(fā)明很早，但也是近20年前才大規(guī)模進(jìn)入到工業(yè)加工領(lǐng)域，激光器光束具有光學(xué)質(zhì)量高，相干性好，線寬窄，工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，所以對于鋼板材料的加工，比如焊接、切割、打孔和表面處理等，都難以避免要用到，同時(shí)在國民經(jīng)濟(jì)和國防上也有許多其他應(yīng)用，比如通訊、雷達(dá)、化學(xué)分析，激光誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)，外科手術(shù)等方面。雖然不可否認(rèn)是光纖激光器的發(fā)展對CO2激光器的一些應(yīng)用市場帶來了較大沖擊，尤其在金屬加工領(lǐng)域，但CO2激光器作為非金屬加工領(lǐng)域不可替代的工具，基于本身獨(dú)特的波長，優(yōu)勢顯著，并且也一直在開辟新的應(yīng)用。下面我們從原理上介紹下CO2激光器：

二氧化碳、氮?dú)?、氦氣通常作為CO2激光器的工作氣體，利用CO2分子振動-轉(zhuǎn)動能級間的躍遷，且在10μm波段附近有比較豐富的譜線，在適當(dāng)條件下，施加高壓直流電使CO2分子處于激發(fā)態(tài)以產(chǎn)生光子，并在諧振腔內(nèi)震蕩放大，累計(jì)到輸出窗口鏡有一定功率的激光透出，激光器能量放大到一定程度后，就可以形成用于材料加工的高能量激光束。

CO2激光器的諧振腔通常采用平凹腔，反射鏡選用由K8光學(xué)玻璃或光學(xué)石英加工成大曲率半徑的凹面鏡，在鏡面上鍍有高反射率的金屬膜（常規(guī)鍍金），使得波長為10.6μm的光反射率達(dá)98.8％，且化學(xué)性質(zhì)安穩(wěn)。諧振腔的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，需要在不影響光束質(zhì)量的前提下保證波長純度，生產(chǎn)出高品質(zhì)的圓形光束，同時(shí)近高斯光束在焦點(diǎn)處產(chǎn)生高能量密度，可以使加工速度更快，同時(shí)CO2激光器的輸出波段正好是大氣窗口，即大氣對這個(gè)波長的透過率較高。

相較其他氣體激光器，CO2激光器的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30～40%，常規(guī)CO2激光器的結(jié)構(gòu)如下圖1.1所示：

圖1.1

CO2激光器通常工作介于9.2-10.6μm之間的中紅外波段，常用的是9.3μm和10.6μm，近年來發(fā)現(xiàn)的高氣壓CO2激光器，甚至可做到從9～10μm間連續(xù)可調(diào)諧的輸出。目前主要有玻璃管和金屬腔兩種，玻璃管成本低，損耗大，壽命易受影響；金屬腔通常采用封離式設(shè)計(jì)，體積小且功能強(qiáng)大，維護(hù)成本低，堅(jiān)固耐用，相干Coherent和新銳Synrad具有代表性。

另外，QCL激光器，即量子級聯(lián)激光器，同樣可以輸出對應(yīng)波長，但QCL激光器在功率方面目前有較大限制，很難實(shí)現(xiàn)高功率輸出，而CO2激光器很容易實(shí)現(xiàn)高功率輸出，同時(shí)與CO2激光器相比，仍舊存在一些根本局限性，如在空間光斑模式、光譜純度和輸出功率等方面，這些光學(xué)特征在一些應(yīng)用中非常關(guān)鍵，如干涉學(xué)、光譜學(xué)、光子探測、隔離檢測、光纖處理方面的精準(zhǔn)加熱、自由曲面光學(xué)元件檢測等。

非接觸式的激光加工減少了被加工材料的尺寸問題，有助于精密零件制造。只要光束穩(wěn)定并聚焦在工件上，激光加工相對非激光加工來說就有顯著的成本優(yōu)勢。低功率CO2激光器主要為電子工業(yè)、非金屬加工業(yè)和部份醫(yī)療和研究單位所使用。中高功率激光是目前CO2激光加工設(shè)備的主流，主要用于鈑金代工業(yè)，也有少部份機(jī)器為工廠自行使用的生產(chǎn)設(shè)備。

CO2激光的常規(guī)加工應(yīng)用，技術(shù)比較單純，加工條件也較容易掌握，一般說來沒有工藝上的問題。但比較特殊的精細(xì)加工技術(shù)，比如精密焊接、硬面處理、立體加工和陶瓷加工等，在熟悉特殊工藝和掌握加工條件的前提下，需要精確控制激光器的波長，波形和能量，否則會嚴(yán)重影響加工的精度，進(jìn)而影響激光特種加工應(yīng)用市場的開展和前景。

同時(shí)前面提到光纖激光器在發(fā)展過程中，在一些領(lǐng)域里逐步取代CO2激光器，但是CO2激光器能夠參與到光纖激光器的制造中，大功率的光纖激光器對光纖的純度要求極高，用傳統(tǒng)的方法加工很容易引入一些雜質(zhì)，因此很多客戶會使用CO2激光器來加工光纖激光器的相關(guān)零件，這對CO2激光器的波長和功率等參數(shù)要求都是非常高的。

對于波長來說，材料對激光能量的吸收率會隨波長的變化而變化，而波長的變動會導(dǎo)致不同的加工結(jié)果。這不是用戶所期望的，特別是在需要高度一致的、重復(fù)性電子產(chǎn)品加工應(yīng)用中。因此，我們需要抑制波長變化以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定一致的質(zhì)量，減少加工缺陷及衍生成本，以增加產(chǎn)能。對于波形和能量來說，在精細(xì)加工領(lǐng)域，微小的激光能量變化會導(dǎo)致加工精度產(chǎn)生嚴(yán)重偏置，從而極易產(chǎn)生殘次品和材料浪費(fèi)。

圖1.2

圖1.3

綜上所述，CO2激光器是利用材料對該類型輻射的高吸收率，能夠非接觸式地對材料進(jìn)行改性，從而實(shí)現(xiàn)加工要求，然而在精細(xì)加工和某些特種加工領(lǐng)域，需要對譜線的頻率精度和頻率穩(wěn)定度，以及線寬和光斑模式上有嚴(yán)格控制，基于這類場景的應(yīng)用，自然是需要對應(yīng)的探測器在與CO2激光器在相同的光譜范圍內(nèi)工作，以期夠?qū)崿F(xiàn)光束的精確控制和定位。

 

波蘭VIGO System作為紅外領(lǐng)域的專家，有著30多年豐富的探測器制造經(jīng)驗(yàn)，提供多種制冷和非制冷的紅外探測器，針對2-16μm的波長進(jìn)行了優(yōu)化，熱信號對探測器的光信號影響很小。同時(shí)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，可以匹配各種光敏源尺寸，并且基于不同層次的應(yīng)用，有探測器裸管和模塊的可選項(xiàng)。

另外，VIGO System的研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了多元線性或者四象限探測器，非常適合用于CO2激光器的定位，四象限象探測器有四個(gè)互相獨(dú)立而又完全相同的光電二極管組成，當(dāng)光入射到傳感器上時(shí)，每個(gè)探測器產(chǎn)生光電流，根據(jù)這些信號，利用合適的A/D轉(zhuǎn)換器確定差分信號，可以精確定位。

深圳市唯銳科技有限公司作為波蘭VIGO System在國內(nèi)指定且值得信賴的合作伙伴，一直致力于提供最合適的CO2激光器監(jiān)測和定位方案，助力用戶拓展應(yīng)用和開辟新市場。

圖1.4

圖1.5