中红外激光器的应用

很多人对中红外光谱区域及中红外应用仍然不熟悉，因为在这个波长范围内只有很少的激光器可供商用。你知道中红外光谱的波长范围是多少吗？答案是2.5~25um，该区域包含两个主要大气传输窗口（3-5 μm 和 8-12 μm 区域），大气中主要成分的吸收非常低，激光器的输出波长可以以远距离传播，在特殊领域有很多应用，比如导弹反制措施、自由空间通信。

2.8um波长的中红外激光器应用广泛。遥感、通讯、医疗等领域是它的主要应用。这种中红外激光器逐渐成为研究热点，如何提高光束质量、提升平均功率较高、提高激光效率是科研工作者研究的课题。

近年来，中红外激光器针对材料加工（非金属激光加工：切割、钻探、表面处理等）、外科手术（微创激光手术）等新技术的应用越来越多，因为它在中红外应用领域具有独特的优势：中红外激光器可以被材料或分子选择性吸收，且与紫外线吸收相比，在电子、光子或医疗行业多层设备的激光处理中不影响其他相邻层。

中红外是大多数液体、气体和非金属（如塑料、眼睛或其他生物组织）的共振的光谱区域。如水、甲烷、二氧化碳和聚合物的强吸收带大多位于中红外线区域。当中红外激光的发射波长与这些材料共振重叠时，这些材料或分子有选择地吸收激光光谱，可以更好地吸收意味着更好的控制精度、控制效率、加工速度，可应用于手术，也可用于材料处理，还可用于信噪比更优的显微镜。本文详细介绍中红外激光器的应用。

中红外激光器的应用——对聚合物的激光处理原理：

CO₂波长在 9.3~10.6 μm，已经广泛用于聚合物加工，而大多数聚合物被激光辐射强吸收在这个光谱范围内。但CO₂激光器只能用于粗加工，因为处理精度受到波长和脉宽（一般>us）的根本限制，聚焦后光束直径随激光波长成正比增加：原理图如下：

由于中红外激光输出相对于CO₂激光器输出相比，具有较短的波长和较短的脉冲持续时间，因此，3μm左右的中红外激光激光器对聚合物的精确的提升有很大帮助。聚合物包括PMMA、PET、聚酰胺、尼龙-聚酰胺、PLA、PC。典型的如下：

Femtum中红外激光器对聚合物的激光处理实例：

1） 光纤激光剥离。

随着现代化工业的迅速发展，激光制造的要求越来越高，要加工的材料的复杂性也在不断提高。在微电子、医疗和半导体行业，很多要加工的物由不同材料堆叠而成，要求激光必须单独处理一种材料而不影响其他材料，以确保被加工物质的可靠性。比如传统的光纤剥离的过程非常耗时，且工业难度大。在通讯领域中，光纤部件在恶劣的环境中使用，因而必须具有出色的机械性能；在高功率光纤激光行业用到的光纤泵组合器、光纤电缆、光纤类布拉格光栅 （FBG），这些光纤组件必须具有非常高的损伤阈值，且耐高温。

光纤由核心Core和玻璃材料Clad（大部分是二氧化硅）组成，由聚合物涂层Coating(Polymers)保护。在纤维基部件的制造中，最关键的部分之一是去除聚合物涂层Coating。当前剥离技术（机械钳子或化学溶剂）会损坏纤维或影响剥离边缘质量，导致光纤部件发生不必要的燃烧或断裂。虽然CO₂激光器可以很容易地使聚合物涂层消融，但会影响聚合物涂层下面的玻璃Clad，从而降低光纤的机械强度和稳定性。Femtum中红外激光器可以发射约2.8μm的短脉冲被聚合物涂层（如丙烯酸酯）强烈吸收以精确的方式使聚合物消融，而不会影响下面的玻璃Clad，因此不会影响光纤的机械特性，并且无需清洁措施即可保持干净的边缘。

2） 聚酰胺纤维剥离。

使用这种技术可以去除各种类型的聚合物，包括难以用标准技术剥离的聚酰胺涂层纤维。激光剥离的聚酰胺纤维如下图：

3） 聚合物表面波导的激光加工。

表面波导可用于不同的应用：温度或压力监测、物质识别、浓度水平等。原理是光线通过表面波导引导，强度在另一端测量。如果与波导外表面接触的物质的折射指数发生变化，则接收端的光线强度也会相应变化。通过描述折射索引与其他参数之间的关系，可以通过表面波导来感知这些参数。

PMMA 和聚碳酸酯表面波导精确加工（刻印）过程如下：

Femtum 的 2.8-3.4um可调超快光纤激光器正在成为聚合物生物传感器处理的第一选择，因为波长可调，能够在几乎任何聚合物中以高效率进行表面波导的加工。