在過去的二十年間，封離型CO2激光器已廣泛用于極其多樣的應用，例如包裝、紡織、微電子制造、顯示屏制備等。這是因為CO2 激光器加工的效率、質量和可靠性使其成為一種經濟實惠的工具，比其他制造技術在成本上更具競爭力。本文簡要介紹了封離型板條放電CO2激光器的主要優(yōu)勢，并涵蓋了相關技術最近的創(chuàng)新。接著，本文還介紹了功率為100W到500W的激光器最重要的應用領域。 

    為何使用CO2激光器？ 

    CO2激光器與普通工業(yè)激光器相比很獨特，因為它以長波紅外線的形式輸出時，波長通常為10.6μm。許多有機材料對這類長波長的吸收能力都很強，包括紙、木材、塑料、橡膠、紡織物和皮革。某些對可見光（甚至近紅外）可透過的材料甚至也能吸收這類長波長，例如玻璃和藍寶石。 

    吸收率高就意味著大部分激光功率實際上都用于在光熱流程中加工材料。此時目標材料很快即會加熱，最終蒸發(fā)（本質上為汽化）。這一過程非常節(jié)能， 因此CO2激光器是最適合采用10's到100's微米精密級別快速去除（例如快速切割、鉆孔、雕刻）較大量目標材料的工具。處于較低功率級別時，高效的局部加熱會造成熱效應導致的顏色變化，是打標的理想之選。 

    板條放電技術 

    CO2激光器的市場大致分為兩類。第一類為重工業(yè)作業(yè)（例如切割和焊接厚金屬），通常采用輸出數千瓦功率的快流CO2激光器。速度通常是比切割質量更為重要的問題，因此用于這類應用的激光器會采用高功率，可能會犧牲光束質量、激光器大小和擁有成本。 

    第二類市場為玻璃、陶瓷、塑料、紡織物、木材和其他有機材料的精密加工，通常采用功率不高于 1kW 的激光器完成。此時，切割質量和外形（無燒焦跡象）是非常關鍵的。最大限度地降低整個系統(tǒng)的大小和重量通常是重中之重，因為這樣可保持低運營成本。 

    板條放電激光器在大約二十年前首次出現，專用于為第二類市場提供更好的服務。在封離型板條放電激光器中，諧振腔內部等離子體由兩個矩形板條電極激發(fā)。兩端的柱面全反射鏡形成諧振腔，部分腔內功率會通過其中一個柱面反射鏡的缺口耦合輸出激光。電極會通過冷水進行冷卻，并且電極的大面積和密封空間使其無需任何氣體循環(huán)即可高效地冷卻等離子體。

    板條放電構造在精密加工應用中具有優(yōu)勢，其原因多種多樣。這類構造體積小、穩(wěn)定性高、輸出特性佳并且擁有成本很低。 

    輸出功率可隨板條電極的面積縮放。因此，板條放電CO2激光器非常緊湊，并且可通過相對輕便的激光器頭實現盡可能高的輸出功率。因此， 它們可以輕松集成到機器人手臂或起重機架中，甚至小到可適用于桌面設備。板條電極配置在機械方面也很耐用， 因此可在短期和長期內穩(wěn)定工作。這種穩(wěn)定性可實現不會隨時間變化的統(tǒng)一加工效果。 

    當與合適的光束調節(jié)光學器件耦合時，板條放電配置可形成較低M2（<1.2） 的高質量高斯光束。這可直接理解為實現較小聚焦光斑的能力，因為幾乎所有的激光功率都集中于中心光束。最終實現更精密的切割或更快的切割速度、更小的熱影響區(qū)（HAZ）以及激光功率的最高效利用。

    板條放電激光器較高的切割效率也最大限度地降低了給定加工速度下的電耗。并且，冷卻水是通過閉循環(huán)系統(tǒng)提供的，因此無需水源。無需外部供氣， 就消除了所有與處理和存儲氣體罐相關的成本，也消除了與更換氣體罐相關的停工期。由于這些因素以及設計的高可用性，板條放電激光器是這一功率范圍內所有CO2激光器類型中擁有成本最具吸引力的一類。 

    優(yōu)化板條放電激光器 

    Coherent 從最初研發(fā)相關技術起就開始生產板條放電CO2激光器。我們的DIAMOND激光器系列不斷發(fā)展，其最近的創(chuàng)新進一步提升了加工效果并降低了擁有成本。例如，板條放電激光器能夠產生上升和下降較為快速的脈沖。這一脈沖在DIAMOND激光器中進行了充分的優(yōu)化，產生了接近方波的脈沖以及盡可能高的脈沖頻率。這很重要，因為方形脈沖提供的總脈沖能量大于材料加工臨界值，在降低HAZ的同時提高了加工效率和速度，實現優(yōu)質邊緣切割。

    最近，DIAMOND J系列和E系列產品在激光頭的內部集成了RF電源，避免了通常情況下連接用的RF電線。這降低了系統(tǒng)成本，且消除了激光器的一個故障源，而且還避免了在激光器系統(tǒng)機制內容納相對較硬的熱電纜。 

    最新的DIAMOND J系列改進了等離子管的許多方面。新的電極設計包括陶瓷絕緣體以及一種實現更高效冷卻的新型冷卻結構，減少了熱循環(huán)，從而延長了生命周期，實現了更穩(wěn)定模式的輸出。另一個創(chuàng)新就是新型點火器的使用，這降低了等離子體點火的應力，延長了等離子管的整個生命周期。 

    腔外光束調節(jié)光學器件的設計減少了像差，將光束橢圓率降低到了1.2以下。圓形光束適用于高度精密的應用， 因為光束的不對稱可能會導致正交方向上切割的不同。而且輸出光束的發(fā)散性（小于2mrad）低，通常就無需在傳送光學元件中使用擴束器，從而降低系統(tǒng)構建商的成本。 

    典型應用 

    中功率CO2激光器的一個重要應用領域就是消費品的包裝。其中包括各類材料（例如紙、紙板、塑料和金屬箔）以及這些材料疊層組合的切割、打孔、刻痕和打標。激光器通常優(yōu)于直犁刀、模切板等傳統(tǒng)工具，其原因多種多樣。激光器加工可以很快，因此可適應現有生產線的速度。激光器加工是靈活、數字化（軟件控制的）、無接觸的過程，因此不會隨時間而改變，也不會像機械工具那樣需要更換或重摩。而且，激光器能夠精密地控制切割或打孔深度，而機械工具則比較難做到這點。并且，由于使用封離型CO2激光器進行加工的擁有成本低、可靠性高，因此比起傳統(tǒng)方法在經濟上更具有競爭力。

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    大部分用于包裝應用的聚合物膜的紅外吸收光譜包括很多個峰值。因此， 激光器波長中的微小偏移會對吸收效率造成巨大的影響。而且，由于包裝涉及的膜非常薄，通常只吸收小部分的入射激光功率，因此吸收效率的小幅上升就可能會大大提高加工速度和效率。因此，雖然采用傳統(tǒng)10.6μm波長的CO2激光器最常用于包裝應用，但是經證實用于某些塑料材料（尤其是聚丙烯和雙向拉伸聚丙烯 (BOPP）時，輸出為10.2μm 的CO2激光器的加工速度更快且效果更勝一籌。同樣，用于聚酰亞胺（PI）、硅膠、三氯化聚乙烯（PET）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）時，輸出為9.3μm的CO2激光器表現出更快的加工速度和更勝一籌的效果。Coherent生產了可選擇10.6μm、10.2μm或9.3μm輸出的J系列CO2激光器， 專門用于滿足這些應用的需求。

    CO2激光器的另一項重要用途是切割用于智能手機和其他手持設備顯示屏的薄玻璃板。傳統(tǒng)的機械切割不適合切割厚度在1mm以下的玻璃板。特別是， 機械切割可能產生崩邊、形成碎片，還可能留下明顯的機械應力，導致玻璃較容易打碎。所有這些問題都使得必須進行進一步的后加工，而后加工勢必需要花費時間和增加生產成本。 

    用CO2激光器切割玻璃則屬于無接觸的加工，完全消除了崩邊和碎裂問題。而且，激光器切割本質上不會對玻璃造成殘余應力，從而增加了玻璃的邊緣強度，這使得激光器切割玻璃所能承受的壓力是機械切割玻璃的2到3倍。 

    在激光器劃片的技術中，CO2激光器光束集中于玻璃的表面，然后進行移動以實現連續(xù)切割。使用的10.6μm光線會引起局部的快速加熱。接著，液體或氣體的噴射可用于快速冷卻玻璃，在玻璃中產生通常約100μm深的連續(xù)裂紋。玻璃接著會從機械滾筒或切碎機棒下通過，沿著相應的裂紋線分割玻璃。這種分割方法不會產生碎片，且垂直于表面。 

    智能手機、平板電腦和電視機平板顯示器的亮度和分辨率也越來越高，而成本卻比以往更低。實現這點的關鍵技術就是采用高級偏振膜。具體而言，在基于LCD的顯示屏中，顯示屏對比率、視角、分辨率和亮度最終都受到這些偏振膜質量的限制。傳統(tǒng)的機械（刀片）切割偏振膜再次表現出了多種局限性，而CO2激光器切割卻能夠逐漸降低生產成本和提高設備質量。 

    機械切割偏振膜的主要缺點是需要大量的后期加工。具體而言，后期加工包括打磨邊緣和清理切割碎片。機械切割的另一個局限性是加工利用率較低。尤其是偏振膜通常從一大卷膜被切割為帶有圓角的較小矩形。這類圓角形無法通過在卷膜上進行一系列的橫向和縱向直線切割制造出來，因此無法使用傳統(tǒng)的切條機等。更不必說，各個形狀的圖形必須單獨切割，導致各切割圖形間都剩下了少量未使用的材料。 

    CO2激光器切割解決了以上兩個問題。特別是這類切割的邊緣質量更好且不會產生大量的污染顆粒。而采用掃描光學元件，則可在不停止?jié)L動的情況下實現圓角切割。比起機械切割，激光器切割造成的切口較窄，因此卷膜整個寬度的整體切割精密度要更好。這樣，切割圖形就能更加緊密地嵌套在一起，減少了昂貴偏振膜的浪費。 

    中功率CO2激光器值得注意的最后一個應用就是低溫共燒陶瓷（LTCC）的鉆孔。這類材料越來越廣泛地應用于微電子基片，特別是用于構造多層薄設備， 例如閃存RAM。LTCC包括一層綠色（未燃燒）陶瓷，通常厚度為50μm到250μm 之間，下層是厚度約40μm到60μm的三氯化聚乙烯（PET）磁帶層。 

    為進行電路跟蹤，磁帶層上網印了導電材料。此時，要制造所謂的“過孔”洞以在各層之間進行電連接或通過各層傳導熱。制造過孔后，要移除載體膜以進行層壓和燒制。 

    這些過孔的直徑通常約100μm；一般情況下，采用機械方式按所需的比率鉆取或打出這一大小的洞很不劃算。因此， 現在LTCC中幾乎所有的過孔鉆取都是采用CO2激光器完成的。 

    這類過孔鉆取通常通過 PET 載體完成，而激光器比較有利的是不會融化大量的PET，另外還可以制造粘附在陶瓷上的重鑄環(huán)，使得在不損壞基片的情況下難以將基底和基片分開。 

    PET對9.3μm波長的吸收能力遠遠高于對10.6μm波長的吸收能力，而陶瓷本身對這兩種波長的吸收能力都非常強。因此，較短的激光器波長可以被吸收，無法通過材料傳播很遠。這就縮小了融化區(qū)并降低了粘附力，因此可干凈地從陶瓷上清除載體。 

    總而言之，中功率（100W到 500W） CO2激光器經濟實惠且可提供更好的效果，現在已廣泛用于切割、打孔、打標和鉆孔。板條放電設計最新的進展進一步提高了中功率 CO2激光器的可靠性和性能，并進一步降低了其總擁有成本。

作者：相干公司 Jeffrey Langdell