文/上海飛博激光科技有限公司

在過去十年中，1μm波段的高功率固體和光纖激光器在鈑金行業(yè)獲得了廣泛應用，已經(jīng)成為金屬板材切割、焊接的一個標準工具。然而，不同材料對不同波長激光的響應差異很大，例如，廣泛應用于工業(yè)的基于碳氫化合物的材料，因為在1μm波段吸收率很低，所以很難用常規(guī)激光器獲得滿意的加工效果。

2μm激光有望大幅度拓展激光的應用領域：水和碳氫分子材料出現(xiàn)在我們生活的每一個角落，而這兩種物質(zhì)在2μm波段有很強的吸收峰，所以2μm激光在醫(yī)療和非金屬材料加工方面展現(xiàn)出廣闊的應用前景；另外，由于覆蓋1.88μm、1.91μm和2.412μm三個重要的分子吸收帶，2μm波段激光在遙感和光通信方面也有著重要的應用前景；同時，2μm波段激光還是中紅外波段光學參量振蕩器的理想抽運源。^[1]

2μm波段激光最初是基于固體激光器獲得的，不僅體積大，而且價格昂貴，因此限制了這種激光器的應用普及。近年來，隨著光纖制造技術的進步，2μm光纖激光器逐漸成熟，例如，上海飛博激光科技有限公司目前已經(jīng)可以提供功率高達180W的2μm光纖激光器（見圖1），這將有望促進一大批新的激光應用領域的出現(xiàn)。

圖1：上海飛博激光的2μm 180W光纖激光器。

在醫(yī)療手術中的應用

前列腺增生是一種嚴重影響男性身體健康和生活質(zhì)量的疾病，藥物治療雖然可以延緩病情惡化，但仍然有相當一部分患者需要通過手術來治療。傳統(tǒng)的經(jīng)尿道前列腺電切術類似削土豆皮，每刀只能切下一小塊增生的組織，組織越大，切除的刀數(shù)越多，手術時間越長，同時要不斷電凝止血，切開的創(chuàng)面血管暴露，沖洗液很容易被人體大量吸收，造成水中毒，危及生命。

2μm激光經(jīng)尿道前列腺汽化切除術是目前治療前列腺增生的最理想的技術。2μm激光通過傳輸光纖，通過患者的尿道到達前列腺增生處，強大的激光能量瞬間被水吸收，產(chǎn)生強烈的汽化切割效應，從而達到去除增生組織的目的。

2μm激光具有高度安全性：在水環(huán)境中，2μm激光手術系統(tǒng)的工作范圍僅在光纖前端2mm以內(nèi)，超過該距離的組織和器官將受到水的屏蔽而得到保護，操作安全性高。另外，2μm激光在組織中的穿透深度只有0.3mm（見圖2），去除組織后留下的凝固層為1mm，具有良好的術中止血功能。^[2]

2μm激光前列腺切除手術具有手術時間短、出血少、術后恢復快、病人痛苦小的優(yōu)點，尤其適合于高齡、高危患者。實際激光前列腺切除手術效果如圖3所示。此外，該技術也適用于膀胱腫瘤及尿道狹窄的治療。

圖3：2μm激光前列腺切除手術，手術前（左）、手術中（中），手術后（右）。^[3]

上海飛博激光科技有限公司MARS系列2μm激光器的功率范圍在30~180W之間，性能參數(shù)完全滿足激光手術的要求。目前，飛博激光正與合作伙伴共同開發(fā)2μm激光手術設備。

在熱塑性塑料焊接中的應用

激光焊接技術在金屬材料加工領域應用廣泛，其優(yōu)異的性能早已被多個應用行業(yè)所接受，成果顯著。隨著綠色環(huán)保理念在全球工業(yè)生產(chǎn)中的貫徹以及在生產(chǎn)成本控制方面的考慮，塑料作為一種性能優(yōu)異的可再生非金屬材料，日益被廣泛的應用在各行業(yè)的零部件設計和制造中。傳統(tǒng)的金屬部件越來越多的被擁有同樣性能的塑料部件替代，這就需要對塑料零部件之間的焊接技術及焊接質(zhì)量等提出很高的要求，這些變化為激光焊接技術在塑料材料領域的應用提供了契機。^[4]

激光焊接塑料的原理又稱為激光透射焊接，其要求是一個零件能透過激光，而另一個零件能吸收激光。在焊接過程中，激光器產(chǎn)生的光束聚焦于待焊接區(qū)域，即激光束透過上面零件，在兩零件接觸面被另一個零件吸收，形成熱作用區(qū)（焊縫），如圖4所示。熱作用區(qū)處的塑料被融化，熱熔狀態(tài)下的塑料大分子在焊接壓力的作用下互相擴散，產(chǎn)生范德華力，進而將兩個零件緊密地連接在一起。

圖4：激光透射焊接塑料原理圖。

塑料材料一般可分為熱塑性材料和熱固性材料兩個大類，而熱塑性塑料通常可采用振動、超聲波等方式進行焊接；因而，熱塑性塑料理論上都可使用激光來進行焊接。

常見的熱塑性塑料有：ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PC （聚碳酸酯）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、PP（聚丙烯）、PVC（聚氯乙烯）、PE（聚乙烯）、PS（聚苯乙烯）、PEI（聚醚酰亞胺）、PA（聚酰胺）等。圖5是利用飛博激光的2μm光纖激光器獲得的常見熱塑性塑料焊接樣件。

圖5：常見熱塑性塑料焊接樣件。

實驗結果表明：采用2μm波長光纖激光器作為焊接源，不需要在焊接前對塑料進行改性，焊接處塑料也未發(fā)生改性、老化、變色等問題；并且在實驗中發(fā)現(xiàn)，當兩個零件都是透明材料時，也同樣可以獲得良好的焊接效果。

在非金屬材料打標中的應用

二維碼（又稱QR Code）是一種以某種規(guī)律在平面分布的黑白相間的圖案字符，不同的分布代表不同的信息，這些信息可被計算機識別。二維碼具有儲存信息量大、可追蹤性強、保密性高等特點，因而在產(chǎn)品追溯、存貨盤點、安全保密、資料備援等方面具有重要的應用價值。目前，二維碼已經(jīng)被作為一種新型防偽和信息追蹤手段，越來越多地出現(xiàn)在商家的廣告宣傳及商品包裝上。

噴墨和打印是目前制作二維碼的兩種主要方式，主要存在以下問題：這兩種標記方式都是采用油墨，很容易被涂改，無法保證標記信息的唯一性；另外，噴墨和打印技術不易在覆有反光膜的紙張上留下墨跡；同時，由于噴墨會帶來的污染，使其在食品包裝、藥品包裝等領域的應用存在一定的風險。

為了提高標記信息的持久唯一性，一種行之有效的措施是采用激光打標。激光打標是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化，從而留下永久性標記的一種方法。激光打標不僅綠色環(huán)保，而且由于不可涂改還具有防偽功能。另外，相比于噴墨打標，激光打標不需要耗材，長期使用成本更低。

市面上常見的半導體激光打標機、光纖激光打標機在金屬材料打標中可以獲得令人滿意的效果，但是由于材料吸收特性的限制，無法對透明塑料或紙張等非金屬材料進行標記。二氧化碳激光打標機可以對非金屬材料進行標記，但因為激光波長，打標精細度很低，而且二氧化碳激光器體積龐大，耗電量高，不利于系統(tǒng)集成。

2μm光纖激光器集合了上述兩種激光器的優(yōu)點：激光器小巧緊湊，功耗低，免維護，打標速度快、精細度高，尤其適宜對非金屬材料進行激光標記。圖6為采用上海飛博激光科技有限公司2μm光纖激光器，分別在白紙表面和印刷有黑色顏料包裝紙表面打碼的實際效果圖。

圖6：激光打標二維碼效果圖。

結束語

2μm激光在生物醫(yī)療、非金屬材料加工、遙感、光通信、科研等領域擁有諸多潛在的應用價值。相信隨著激光技術的進步和激光器制造成本的不斷降低，2μm光纖激光器必將在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

參考文獻

[1] 劉沛沛,白楊,任兆玉,白晉濤. 2μm光纖激光器的研究進展[J]. 紅外與激光工程, 2009,38(1):45-49.

[2] Kamalov AA, Osmolovski BE, Transurethral photoselective laser vaporization in the treatment of prostatic ademoma [J]. Urologiia, 2008, (5): 28-31.

[3] http://www.lisalaserusa.com/

[4] 龐振華, 楊紹奎, 宋杰, 馬躍新. 激光塑料焊接技術及典型應用,機電工程技術, 2010,39(4):17-20.