二氧化碳(CO2)激光器由C.Kumar N.Patel于1964年在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，它又可叫做玻璃激光管，是目前連續(xù)輸出功率較高的一種激光產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于紡織、醫(yī)療、材料加工、工業(yè)制造等領(lǐng)域，尤其是在包裝噴碼，非金屬材料切割，醫(yī)療美容等行業(yè)有著獨(dú)特的應(yīng)用。
CO2激光器技術(shù)至1980年代基本成熟，在后面二十多年里廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工，包括金屬切割、各種材料打標(biāo)、雕刻，以及在汽車、造船和航空航天等的焊接、熔覆加工等。目前工業(yè)用的CO2激光器波長主要為10.64μm，輸出為紅外光。它的電光轉(zhuǎn)換效率普遍能達(dá)到15%至25%，對比固體YAG激光器已經(jīng)有不錯(cuò)的優(yōu)勢;它的波長范圍決定光束能夠很好讓鋼鐵金屬、有色金屬、貴金屬、非金屬等多種材料吸收，其適用材料范圍比光纖激光器還要廣。
由于當(dāng)前激光加工，最重要的開發(fā)應(yīng)用仍然是金屬材料加工，自2010年以來的光纖激光器在國內(nèi)外掀起了熱潮，特別是在金屬加工上取代部分CO2切割的市場。這給一些人帶來很大的誤導(dǎo)：那就是CO2激光器過時(shí)了，作用不大了。其實(shí)這種想法是大錯(cuò)特錯(cuò)的。
CO2激光器作為技術(shù)最成熟、最穩(wěn)定可靠的光源類型，在工藝開發(fā)上也是非常成熟的，即便是今天，在歐洲、美國仍然看到CO2激光的許多應(yīng)用。許多天然和合成材料在CO2激光器跨越的9-12μm光譜范圍內(nèi)具有強(qiáng)的特征吸收，所以在材料處理和光譜分析中有許多機(jī)會(huì)。CO2激光器的的光束屬性決定了其仍然會(huì)有獨(dú)特的應(yīng)用潛力。本文主要介紹CO2的幾種常見應(yīng)用。
金屬材料加工
在連續(xù)光纖激光器流行以前，金屬板材加工基本上是高功率CO2激光器一統(tǒng)天下，曾記得在2012年某展會(huì)上，已經(jīng)有廠家隆重發(fā)布4KW的CO2切割機(jī)，可切割板材厚度超過20mm，一時(shí)間震撼業(yè)界。如今時(shí)過境遷，動(dòng)則采用萬瓦級光纖激光器切割超厚板材，在鋼板切割上，確實(shí)CO2切割已被光纖切割替代了大部分，但不代表它已經(jīng)消失，目前包括大族激光智能裝備、普睿瑪智能、大族粵銘、百盛激光、奔騰楚天等一些廠家還可以提供金屬CO2切割機(jī)，還有切管機(jī)，以供客戶選用。
光纖激光由于其較細(xì)的光斑易于切割，但在焊接方面成為其缺點(diǎn)。特別是厚板材連接，高功率的CO2激光器比光纖激光器更有優(yōu)勢。盡管幾年前人們開始采用光束擺動(dòng)克服光纖激光的缺點(diǎn)，但是仍然比不過CO2激光光束。在歐洲的客中客車、德國的邁爾造船廠等許多厚板加工上，早就是CO2激光的應(yīng)用了。
除了鋼鐵材料焊接，近些年像鉻錳合金鋼以及鋁合金等不好焊接的材料也開始出現(xiàn)，這些材料有的熔點(diǎn)高，有的對光的反射率高，這樣就要求了焊接時(shí)的激光功率較高。比如國內(nèi)的奔騰楚天就在2015年研發(fā)了6KW的CO2激光焊接系統(tǒng)，并成功交付給中車使用。
材料表面處理
CO2激光器用于表面處理主要體現(xiàn)在激光熔覆，如今雖然也可以用半導(dǎo)體激光來做，但是在高功率半導(dǎo)體激光出現(xiàn)之前，激光熔覆基本上也是CO2激光的天下。激光熔覆廣泛用于模具、五金、礦山機(jī)械、機(jī)械轉(zhuǎn)軸、航空航天、海工裝備乃至民用新產(chǎn)品等工業(yè)領(lǐng)域。CO2激光器相對于半導(dǎo)體激光器有著巨大的價(jià)格成本優(yōu)勢，CO2激光熔覆目前也是備受歡迎的一個(gè)選項(xiàng)。如今國內(nèi)的大族金石凱、沈陽大陸激光等是專業(yè)從事CO2激光熔覆的企業(yè)。
布料纖維的加工
在金屬加工上，CO2激光面臨了光纖激光、半導(dǎo)體激光的挑戰(zhàn)，因此未來CO2激光的應(yīng)用重點(diǎn)很可能是非金屬材料的應(yīng)用。包括的領(lǐng)域非常多，玻璃、陶瓷、布料皮革、木材、塑料、聚合物等。
在這方面表現(xiàn)出色的是位于廣州的創(chuàng)可激光，該公司是專業(yè)從事激光打標(biāo)設(shè)備的企業(yè)，推出了超級CO2激光打標(biāo)機(jī)系列，用于木制品、皮具、布料的打標(biāo)、雕刻和鏤空等工藝，具有特色的是實(shí)現(xiàn)了在牛仔布料的洗水、雕花等先進(jìn)工藝。另外廣州的漢馬激光等也是長期從事CO2激光切割布料、雕刻木材的設(shè)備，類似的企業(yè)還有東莞的大族粵銘、雷宇激光等。光博士在多年前就已經(jīng)推出了木板激光切割機(jī)，該公司還主營數(shù)十種中小功率CO2激光切割、打標(biāo)設(shè)備，可見市場需求仍然很大。
特殊領(lǐng)域定制應(yīng)用
CO2的光束性質(zhì)為其的定制特殊領(lǐng)域應(yīng)用提供了很大的可能性，比如聚合物、塑料、陶瓷的加工。CO2激光器對ABS、PMMA、PP等聚合物材料可實(shí)現(xiàn)高速切割。采用先進(jìn)的CO2激光器，經(jīng)過優(yōu)化光學(xué)模式和光路設(shè)計(jì)，形成更完美的光斑，可減少熱影響區(qū)域，切割出高品質(zhì)的手機(jī)薄膜產(chǎn)品(PET保護(hù)膜、顯示面板)。CO2激光切割技術(shù)的特有優(yōu)勢，使之比UV激光切割技術(shù)更適合薄膜精密切割，也更能滿足IT業(yè)精密加工的需要。
醫(yī)療應(yīng)用
90年代后出現(xiàn)了以超脈沖CO2激光治療機(jī)為代表的高能量脈沖醫(yī)療設(shè)備，并得到成功的應(yīng)用，使得要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域得到突破性進(jìn)展，特別是激光美容方面獨(dú)占鰲頭。發(fā)展前景十分廣闊。 據(jù)了解，二氧化碳激光輔助深層鞏膜切除術(shù)，簡稱CLASS，屬于非穿透性、非結(jié)膜下濾過泡依賴手術(shù)，通過小梁網(wǎng)、深層鞏膜和脈絡(luò)膜引流房水降低眼壓。這一革新性的術(shù)式，術(shù)中術(shù)后并發(fā)癥少;非濾過泡依賴性，無術(shù)后應(yīng)對瘢痕化問題;手術(shù)簡單、學(xué)習(xí)曲線短，容易掌握，臨床實(shí)用性強(qiáng)。
CO2激光的工業(yè)制冷
當(dāng)前我國每年CO2激光器仍然保有超過十幾億的市場需求量，在材料切割、焊接、打標(biāo)、雕刻、表面處理等領(lǐng)域均有大量的應(yīng)用。CO2激光采用的是氣體作為介質(zhì)，無論是金屬腔體射頻激勵(lì)還是玻璃管的設(shè)計(jì)，內(nèi)部元部件對熱影響都比較敏感，因此高精度的冷卻是保護(hù)設(shè)備、維持更長工作壽命的必備。由于氣體容易導(dǎo)致不穩(wěn)定，精準(zhǔn)冷卻也有助于保證出光功率穩(wěn)定。
廣州特域機(jī)電有限公司是國內(nèi)一家專業(yè)從事激光用冷卻設(shè)備的廠家，擁有近20年的研發(fā)、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，每年向全球輸送超過7萬臺(tái)激光冷水機(jī)。特域機(jī)電在CO2激光制冷設(shè)備上占據(jù)全國最大的市場份額，在CO2激光冷卻應(yīng)用上擁有最多的經(jīng)驗(yàn)。
CW-5200T系列是特域最新推出的節(jié)能型激光冷水機(jī)，其溫控精度可達(dá)±0.3°C，具有智能調(diào)溫和恒溫兩種模式，設(shè)計(jì)體積緊湊，特別適用于100-150W的CO2激光管的冷卻，目前已廣泛應(yīng)用于中小功率CO2非金屬激光加工設(shè)備上。
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