大功率射频板条CO₂激光器曾经是深熔焊接、切割的主力光源，目前主要用于超大规模集成电路晶圆退火。华中科技大学于2007年就开始了大功率射频板条CO₂激光器的研发，并进行大量的理论研究和产业化工作。本文介绍了射频板条CO₂激光器的国内外发展动态；重点分析了激光器的结构设计、(板条)面积放大、扩散冷却、激励电源、射频传输、阻抗匹配、射频气体放电等离子体、放电均匀性、电极热效应、非稳-波导混合腔、激光功率提取、输出光束特性、光束整形等核心技术；展望了射频板条CO₂激光器在超大规模集成电路晶圆激光退火中的重要创新应用。

国内高功率射频板条CO2激光器铜电极表面没有镀介质膜, 裸铜在放电程中, 表面容易氧化, 受激光电子溅射及激光损伤, 波导损耗大, 影响了激光器的出光效率。针对以上问题, 课题组研制了Al＋Al2O3混合波导介质膜, 对该电极膜层进行了成分分析, 测试了抗电子溅射能力, 检测了膜层表面对CO2光波反常色散特性。结果表明, 镀膜层主要成分为Al和O, 原子数Al∶O远大于2∶3, 膜层结构为Al＋Al2O3, 满足电极镀膜层结构设计。测试了不同角度下的反射率, 在掠入射角为10°～170°时, Al2O3膜层对波长10.6 μm CO2光波的最高反射率为85%。Al2O3镀膜电极2 kW射频板条CO2激光器, 电光转换效率平均为10.4%; 裸铜电极2 kW射频板条CO2激光器, 平均电光转换效率为6.5%。

针对3 kW大功率射频板条CO2激光器的多组电极放电均匀性与阻抗匹配性问题, 采用麦克斯韦时域差分法构建了多组电极下的放电模型, 获得了最佳放电均压效果的均压电感值。以放电区等效阻抗值为基础结合均压电感值得到极板放电的总负载阻抗值。利用总负载阻抗值并通过Smith圆图获得与之对应的匹配网络阻抗参数, 使总负载阻抗与匹配网络阻抗之和为纯电阻50 Ω, 实现射频输入功率的完全馈入。实际测得当放电均匀与阻抗匹配时驻波比为1.18。研究结果表明, 在时域差分法模型中增加匹配的均压电感后, 极板整体放电均匀性波动从之前的15%降低到2.8%, 且每组电极的放电均匀性差异控制在0.3%以内。放电实验表明, 在放电均匀且阻抗匹配情况下, 对应激光器输出功率为3.1 kW, 且在2 h内波动可稳定在±1%以内。

为了解决3kW射频板条CO2激光器在高功率工作条件下功率波动的问题, 采用外光路转折镜调节方法对腔镜热畸变造成的光路偏移进行补偿。研究了基于芯片TMS320LF2407的脉宽调制器控制激光器注入功率的关键技术, 设计了整形光路尾镜取样功率检测系统, 并分析了外光路自适应调节系统的补偿原理。结果表明, 整形光路尾镜取样功率检测系统与基准功率计的最大误差为±2.59%, 其具有高线性度; 采用PA 100/T 14型压电陶瓷微位移驱动器, 对微动距离不超过54μm的自适应调节转折镜进行调节补偿, 光束偏移不会超出空间滤波器的0.8mm狭缝宽度; 调节补偿前后输出功率波动由18%降到2%, 达到了由于腔镜热变形导致光束偏移的补偿要求, 整形光束的旁瓣消失, 获得最佳模式输出。此项研究对提高激光器输出功率稳定性具有一定的实用价值。

输出镜的热畸变会严重降低高功率气体激光器的输出光束质量和运行效率。针对腔镜受热均匀性的问题, 等价地数值研究了光场均匀性随着几何放大率和有效菲涅尔数两个参数的变化规律。研究结果显示, 光场均匀性随着有效菲涅尔数呈现周期性变化, 随着放大率绝对值的增加呈现准周期性的指数衰减。针对2 kW功率输出, 增益区间为1 000 mm×200 mm时, 分析得出输出半宽为80 mm或者85 mm获得最佳光场均匀性。

为了提高传统球面镜腔3kW射频板条CO2激光器光束质量, 设计了新型抛物面镜负支非稳-波导混合腔; 结合标量光束的瑞利-索末菲衍射理论与特征向量法, 研究了大菲涅耳数下镜面类型对非稳波导混合腔光场传输特性的影响; 利用矩形波导理论、1维近似分析得出了波导传输损耗及偏振情况。结果表明, 将非稳方向输出镜和尾镜改为与光轴交点处曲率半径为R1=951.32mm和R2=1088.68mm的抛物镜面, 能够避免尾镜漏光, 可有效改善模式鉴别特性; 常用波导电极镀膜材料中, 镀铝电极内波导方向传输损耗最小, 传输光场为x偏振的EH1模。采用电极镀铝的抛物面非稳波导腔能够降低损耗、提升光束质量。

2 kW射频板条CO2激光器光束整形系统中空间滤波器具有消除旁瓣、提升光束质量的作用，研究其失调对输出光束的影响具有现实意义。通过理论和实验研究了空间滤波器失调对光强分布的影响，理论分析与实验结果基本一致。数值模拟了失调对输出功率的影响。结果表明，空间滤波器非稳方向横向位移失调对输出功率的影响不是线性的，输出功率损耗随着横向位移的增加急剧增大；对整形光束光强分布的影响很大，失调量大于0.2 mm时就会使整形光束非稳方向出现明显的旁瓣。空间滤波器轴向位移失调对功率影响较小，但对光斑形状有比较明显的影响，失调量达到10 mm时，整形光束两个方向的直径差可达3 mm。空间滤波器旋转失调角度在10°以下时，对整形光束非稳方向光束的影响可以忽略，主要影响波导方向光束，旋转失调会使模式变差。旋转失调对功率也有较大的影响，失调角度为10°时，功率损耗增加到25%。

为了研究射频板条CO2激光器射频频率波动对输出光束的影响，采用等效电路分析和实验测量的方法研究了射频频率对激光器输入输出特性的影响。计算得到射频频率变化2MHz时引起的阻抗实部变化率为0.01%，说明射频频率漂移对放电部分等效电路参量影响很小。射频频率采用79.4MHz，80.0MHz，80.7MHz，81.4MHz，82.0MHz和82.7MHz，以设计频率81.4MHz对应的输出功率为基准,占空比设置为80%时，频率漂移 1MHz则激光功率下降约150W。激光功率随频率变化趋势与理论结果一致。结果表明，射频频率变化引起的阻抗匹配问题是导致输出功率波动的主要原因，可以通过改进匹配网络来克服射频频率的波动对激光器性能的影响。

为了与大面积放电增益区匹配,千瓦级射频板条CO2激光器采用大菲涅尔数的条状离轴负支共焦非稳腔,其输出模式是对整个输出平面上光场分布在特定区间的截断,对应的傅里叶谱(空间频率)会无限展宽。通过改进的虚源法求得其输出平面的场分布,然后通过对输出光场的傅里叶谱的分析,研究了条状离轴负支共焦非稳腔的两个主要参数——有效菲涅尔数Neq以及几何放大率M对输出光束质量的影响。数值模拟的结论显示输出光束的质量只与M相关,随着M的绝对值的增加,光束质量会呈现周期振荡式的下降,周期约为0.05。

为了解决射频板条CO2激光器因安装或腔镜热畸变造成的光路偏移问题, 采用外光路偏移补偿的方法对其进行校正。研究了基于压电陶瓷的偏移补偿装置, 设计了压电陶瓷驱动电路,并分析了控制精度和自适应控制方法。结果表明, 通过偏移补偿装置, 激光输出功率在任何占空比下均可达到或超过标准参考功率值, 并通过对比有无自适应调节, 激光输出功率最大相差100W, 且可保持激光输出功率在2h运行中波动小于2%。此项研究可保证激光器高效运行, 提高激光器的输出功率和模式的稳定性, 具有较大的实用价值。