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(yīng)用，例如包裝、紡織、微電子制造、顯示屏制備等。這是因?yàn)镃O2 激光器加工的效率、質(zhì)量和可靠性使其成為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的工具，比其他制造技術(shù)在成本上更具競(jìng)爭(zhēng)力。本文簡(jiǎn)要介紹了封離型板條放電CO2激光器的主要優(yōu)勢(shì)，并涵蓋了相關(guān)技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)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(dú)特，因?yàn)樗蚤L(zhǎng)波紅外線的形式輸出時(shí)，波長(zhǎng)通常為10.6μm。許多有機(jī)材料對(duì)這類長(zhǎng)波長(zhǎng)的吸收能力都很強(qiáng)，包括紙、木材、塑料、橡膠、紡織物和皮革。某些對(duì)可見光（甚至近紅外）可透過的材料甚至也能吸收這類長(zhǎng)波長(zhǎng)，例如玻璃和藍(lán)寶石。
吸收率高就意味著大部分激光功率實(shí)際上都用于在光熱流程中加工材料。此時(shí)目標(biāo)材料很快即會(huì)加熱，最終蒸發(fā)（本質(zhì)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(jí)別快速去除（例如快速切割、鉆孔、雕刻）較大量目標(biāo)材料的工具。處于較低功率級(jí)別時(shí)，高效的局部加熱會(huì)造成熱效應(yīng)導(dǎo)致的顏色變化，是打標(biāo)的理想之選。
板條放電技術(shù)
CO2激光器的市場(chǎng)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(shù)千瓦功率的快流CO2激光器。速度通常是比切割質(zhì)量更為重要的問題，因此用于這類應(yīng)用的激光器會(huì)采用高功率，可能會(huì)犧牲光束質(zhì)量、激光器大小和擁有成本。
第二類市場(chǎng)為玻璃、陶瓷、塑料、紡織物、木材和其他有機(jī)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(shí)，切割質(zhì)量和外形（無燒焦跡象）是非常關(guān)鍵的。最大限度地降低整個(gè)系統(tǒng)的大小和重量通常是重中之重，因?yàn)檫@樣可保持低運(yùn)營(yíng)成本。
板條放電激光器在大約二十年前首次出現(xiàn)，專用于為第二類市場(chǎng)提供更好的服務(wù)。在封離型板條放電激光器中，諧振腔內(nèi)部等離子體由兩個(gè)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(nèi)功率會(huì)通過其中一個(gè)柱面反射鏡的缺口耦合輸出激光。電極會(huì)通過冷水進(jìn)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(gòu)造在精密加工應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，其原因多種多樣。這類構(gòu)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(duì)輕便的激光器頭實(shí)現(xiàn)盡可能高的輸出功率。因此， 它們可以輕松集成到機(jī)器人手臂或起重機(jī)架中，甚至小到可適用于桌面設(shè)備。板條電極配置在機(jī)械方面也很耐用， 因此可在短期和長(zhǎng)期內(nèi)穩(wěn)定工作。這種穩(wěn)定性可實(shí)現(xiàn)不會(huì)隨時(shí)間變化的統(tǒng)一加工效果。
當(dāng)與合適的光束調(diào)節(jié)光學(xué)器件耦合時(shí)，板條放電配置可形成較低M2（<1.2） 的高質(zhì)量高斯光束。這可直接理解為實(shí)現(xiàn)較小聚焦光斑的能力，因?yàn)閹缀跛械募す夤β识技杏谥行墓馐?。最終實(shí)現(xiàn)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(chǔ)氣體罐相關(guān)的成本，也消除了與更換氣體罐相關(guān)的停工期。由于這些因素以及設(shè)計(jì)的高可用性，板條放電激光器是這一功率范圍內(nèi)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(guān)技術(shù)起就開始生產(chǎn)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(jìn)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(chǎn)生上升和下降較為快速的脈沖。這一脈沖在DIAMOND激光器中進(jìn)行了充分的優(yōu)化，產(chǎn)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?yàn)榉叫蚊}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(shí)提高了加工效率和速度，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)邊緣切割。
最近，DIAMOND J系列和E系列產(chǎn)品在激光頭的內(nèi)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(gè)故障源，而且還避免了在激光器系統(tǒng)機(jī)制內(nèi)容納相對(duì)較硬的熱電纜。
最新的DIAMOND J系列改進(jìn)了等離子管的許多方面。新的電極設(shè)計(jì)包括陶瓷絕緣體以及一種實(shí)現(xiàn)更高效冷卻的新型冷卻結(jié)構(gòu)，減少了熱循環(huán)，從而延長(zhǎng)了生命周期，實(shí)現(xiàn)了更穩(wěn)定模式的輸出。另一個(gè)創(chuàng)新就是新型點(diǎn)火器的使用，這降低了等離子體點(diǎn)火的應(yīng)力，延長(zhǎng)了等離子管的整個(gè)生命周期。
腔外光束調(diào)節(jié)光學(xué)器件的設(shè)計(jì)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(yīng)用， 因?yàn)楣馐牟粚?duì)稱可能會(huì)導(dǎo)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(xué)元件中使用擴(kuò)束器，從而降低系統(tǒng)構(gòu)建商的成本。
典型應(yīng)用
中功率CO2激光器的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域就是消費(fèi)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(biāo)。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(yīng)現(xiàn)有生產(chǎn)線的速度。激光器加工是靈活、數(shù)字化（軟件控制的）、無接觸的過程，因此不會(huì)隨時(shí)間而改變，也不會(huì)像機(jī)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(jī)械工具則比較難做到這點(diǎn)。并且，由于使用封離型CO2激光器進(jìn)行加工的擁有成本低、可靠性高，因此比起傳統(tǒng)方法在經(jīng)濟(jì)上更具有競(jìng)爭(zhēng)力。
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大部分用于包裝應(yīng)用的聚合物膜的紅外吸收光譜包括很多個(gè)峰值。因此， 激光器波長(zhǎng)中的微小偏移會(huì)對(duì)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(huì)大大提高加工速度和效率。因此，雖然采用傳統(tǒng)10.6μm波長(zhǎng)的CO2激光器最常用于包裝應(yīng)用，但是經(jīng)證實(shí)用于某些塑料材料（尤其是聚丙烯和雙向拉伸聚丙烯 (BOPP）時(shí)，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(shí)，輸出為9.3μm的CO2激光器表現(xiàn)出更快的加工速度和更勝一籌的效果。Coherent生產(chǎn)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(yīng)用的需求。
CO2激光器的另一項(xiàng)重要用途是切割用于智能手機(jī)和其他手持設(shè)備顯示屏的薄玻璃板。傳統(tǒng)的機(jī)械切割不適合切割厚度在1mm以下的玻璃板。特別是， 機(jī)械切割可能產(chǎn)生崩邊、形成碎片，還可能留下明顯的機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致玻璃較容易打碎。所有這些問題都使得必須進(jìn)行進(jìn)一步的后加工，而后加工勢(shì)必需要花費(fèi)時(shí)間和增加生產(chǎn)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(zhì)上不會(huì)對(duì)玻璃造成殘余應(yīng)力，從而增加了玻璃的邊緣強(qiáng)度，這使得激光器切割玻璃所能承受的壓力是機(jī)械切割玻璃的2到3倍。
在激光器劃片的技術(shù)中，CO2激光器光束集中于玻璃的表面，然后進(jìn)行移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)連續(xù)切割。使用的10.6μm光線會(huì)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(chǎn)生通常約100μm深的連續(xù)裂紋。玻璃接著會(huì)從機(jī)械滾筒或切碎機(jī)棒下通過，沿著相應(yīng)的裂紋線分割玻璃。這種分割方法不會(huì)產(chǎn)生碎片，且垂直于表面。
智能手機(jī)、平板電腦和電視機(jī)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(shí)現(xiàn)這點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)就是采用高級(jí)偏振膜。具體而言，在基于LCD的顯示屏中，顯示屏對(duì)比率、視角、分辨率和亮度最終都受到這些偏振膜質(zhì)量的限制。傳統(tǒng)的機(jī)械（刀片）切割偏振膜再次表現(xiàn)出了多種局限性，而CO2激光器切割卻能夠逐漸降低生產(chǎn)成本和提高設(shè)備質(zhì)量。
機(jī)械切割偏振膜的主要缺點(diǎn)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(jī)械切割的另一個(gè)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(jìn)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(jī)等。更不必說，各個(gè)形狀的圖形必須單獨(dú)切割，導(dǎo)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(gè)問題。特別是這類切割的邊緣質(zhì)量更好且不會(huì)產(chǎn)生大量的污染顆粒。而采用掃描光學(xué)元件，則可在不停止?jié)L動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)圓角切割。比起機(jī)械切割，激光器切割造成的切口較窄，因此卷膜整個(gè)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(fèi)。
中功率CO2激光器值得注意的最后一個(gè)應(yīng)用就是低溫共燒陶瓷（LTCC）的鉆孔。這類材料越來越廣泛地應(yīng)用于微電子基片，特別是用于構(gòu)造多層薄設(shè)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(jìn)行電路跟蹤，磁帶層上網(wǎng)印了導(dǎo)電材料。此時(shí)，要制造所謂的“過孔”洞以在各層之間進(jìn)行電連接或通過各層傳導(dǎo)熱。制造過孔后，要移除載體膜以進(jìn)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(jī)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(xiàn)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(huì)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(duì)9.3μm波長(zhǎng)的吸收能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)10.6μm波長(zhǎng)的吸收能力，而陶瓷本身對(duì)這兩種波長(zhǎng)的吸收能力都非常強(qiáng)。因此，較短的激光器波長(zhǎng)可以被吸收，無法通過材料傳播很遠(yuǎn)。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(jīng)濟(jì)實(shí)惠且可提供更好的效果，現(xiàn)在已廣泛用于切割、打孔、打標(biāo)和鉆孔。板條放電設(shè)計(jì)最新的進(jìn)展進(jìn)一步提高了中功率 CO2激光器的可靠性和性能，并進(jìn)一步降低了其總擁有成本。
作者：相干公司 Jeffrey Langdell
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