激光器發(fā)明很早，但也是近20年前才大規(guī)模進入到工業(yè)加工領域，激光器光束具有光學質(zhì)量高，相干性好，線寬窄，工作穩(wěn)定等優(yōu)點，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，同時在國民經(jīng)濟和國防上也有許多其他應用，比如通訊、雷達、化學分析，激光誘發(fā)化學反應，外科手術等方面。雖然不可否認是光纖激光器的發(fā)展對CO2激光器的一些應用市場帶來了較大沖擊，尤其在金屬加工領域，但CO2激光器作為非金屬加工領域不可替代的工具，基于本身獨特的波長，優(yōu)勢顯著，并且也一直在開辟新的應用。下面我們從原理上介紹下CO2激光器：

二氧化碳、氮氣、氦氣通常作為CO2激光器的工作氣體，利用CO2分子振動-轉動能級間的躍遷，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光學玻璃或光學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98.8％，且化學性質(zhì)安穩(wěn)。諧振腔的設計至關重要，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，同時近高斯光束在焦點處產(chǎn)生高能量密度，可以使加工速度更快，同時CO2激光器的輸出波段正好是大氣窗口，即大氣對這個波長的透過率較高。

相較其他氣體激光器，CO2激光器的能量轉換效率可達30～40%，常規(guī)CO2激光器的結構如下圖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計，體積小且功能強大，維護成本低，堅固耐用，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，同樣可以輸出對應波長，但QCL激光器在功率方面目前有較大限制，很難實現(xiàn)高功率輸出，而CO2激光器很容易實現(xiàn)高功率輸出，同時與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，這些光學特征在一些應用中非常關鍵，如干涉學、光譜學、光子探測、隔離檢測、光纖處理方面的精準加熱、自由曲面光學元件檢測等。

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激光加工設備的主流，主要用于鈑金代工業(yè)，也有少部份機器為工廠自行使用的生產(chǎn)設備。

CO2激光的常規(guī)加工應用，技術比較單純，加工條件也較容易掌握，一般說來沒有工藝上的問題。但比較特殊的精細加工技術，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，否則會嚴重影響加工的精度，進而影響激光特種加工應用市場的開展和前景。

同時前面提到光纖激光器在發(fā)展過程中，在一些領域里逐步取代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，而波長的變動會導致不同的加工結果。這不是用戶所期望的，特別是在需要高度一致的、重復性電子產(chǎn)品加工應用中。因此，我們需要抑制波長變化以實現(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，在精細加工領域，微小的激光能量變化會導致加工精度產(chǎn)生嚴重偏置，從而極易產(chǎn)生殘次品和材料浪費。

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行改性，從而實現(xiàn)加工要求，然而在精細加工和某些特種加工領域，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格控制，基于這類場景的應用，自然是需要對應的探測器在與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作為紅外領域的專家，有著30多年豐富的探測器制造經(jīng)驗，提供多種制冷和非制冷的紅外探測器，針對2-16μm的波長進行了優(yōu)化，熱信號對探測器的光信號影響很小。同時根據(jù)實際應用需求，可以匹配各種光敏源尺寸，并且基于不同層次的應用，有探測器裸管和模塊的可選項。

另外，VIGO System的研究團隊還開發(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互相獨立而又完全相同的光電二極管組成，當光入射到傳感器上時，每個探測器產(chǎn)生光電流，根據(jù)這些信號，利用合適的A/D轉換器確定差分信號，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，助力用戶拓展應用和開辟新市場。

圖1.4

圖1.5