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。

研究了射频板条CO2激光器光束整形系统球面镜横向位移失调和角度失调对输出光束光强分布的影响。研究表明, 横向位移失调情况下, 输出光束对非稳方向的失调更加敏感, 波导方向失调对输出光束光强分布基本无影响。非稳方向横向位移失调达到0.1 mm时, 光强分布由圆形分布变为类似椭圆分布, 光强峰值也不在中心区域。角度失调情况下, 波导方向相对敏感。非稳方向失调角度仅为0.05°时, 光强分布就已经见明显的畸变。波导方向的角度失调达到0.5°时, 光束有明显的位移, 会对功率造成影响。

板条激光器初始光束为矩形光束, 光束的发散角与半径在相互垂直方向上相差很大。因此, 光束整形系统是板条激光器能够实际应用的关键技术之一。以2 kW射频板条CO2激光器为基础, 针对双柱面镜整形系统与带空间滤波器整形系统, 应用特征向量法与柯林斯公式进行了仿真分析。给出了光束通过这两种整形系统后光强的分布与光束半径的变化。结果表明, 板条激光器的矩形光束经过这两种整形系统后都能转变为近似圆形分布, 两个方向上的半径差值小。但光束通过双柱面镜整形系统后非稳方向光束质量没有得到改善, 聚焦后存在旁瓣, 能量占比约为9%。带空间滤波器整形系统则能够将旁瓣完全滤除, 提升了光束质量。

为了得到工业上广泛使用的基模拉盖尔-高斯光束, 2 kW射频板条激光器谐振腔输出的简单像散光束需要腔外光束整形系统, 理论分析和实验研究了变换系统中各光学元件对输出光束光强分布的影响, 取得了在系统中不同光学元件处的光强分布数据。结果表明, 经光束系统后, 输出光束首先由带高频振荡的矩形象散光束聚焦成条状的光束, 然后由空间滤波器滤除非稳光束的高频振荡, 滤除后光束到达柱面镜处非稳与波导方向半径近似相等为5.7 mm, 接着柱面镜将非稳和波导方向光束的发散角转为近似相等, 光束变为非象散光束, 最后再经球面镜准直为近圆形高斯分布光束。所得到的结果对腔外变换系统的进一步优化提供了重要的参考。

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%。

采用非稳腔结构的激光器，当系统的菲涅耳数较大时，球面腔镜尺寸随之增大，尽管可以获得高输出功率，但由于不满足傍轴条件，球面腔镜的球差对输出模式的影响变大。采用Fox-Li迭代算法，分析了腔镜类型不同时谐振腔有效菲涅耳数为675的2 kW 射频板条CO₂激光器的输出模式，并进行了实验研究。结果表明，当腔镜采用双球面镜时球差的影响显著，输出光束近似为球面波，输出平面上光束质量因子M² =14.48，光束质量差，聚焦后光束偏离光轴，难以实现高功率、高光束质量的激光输出；当腔镜均采用抛物面镜时球差的影响得以消除，输出光束近似为平面波，此时输出平面上光束质量得到改善，M² =3.96，实验结果与数值模拟结果一致。

为了解决传统双放电盒横流5kW CO2 激光器双风道、风速小、体积庞大等问题, 研究开发了单放电盒横流5kW CO2 激光器, 采用气体动力学、放电区气体流场分析的方法, 在保证风机强度的前提下根据通风机原理设计了一款铝质轻型离心风机,风机的进口直径为382mm, 出口直径为451mm, 蜗壳宽度为160mm,并进行了实验验证。结果表明, 配置该风机的单放电盒的5kW CO2激光器提高了功率稳定性, 放电区气体平均流速从60.8m/s提高到75.5m/s, 缩小了弧光放电的面积, 改善了近场光斑的强度及均匀性, 采用铝制风机及单放电盒减小了激光器的整体重量和体积。这对CO2激光器向高功率、小体积、紧凑型发展具有重要意义。

针对2 kW射频板条CO2激光器离轴负支非稳波导混合腔的近场分布存在较多高空间频率分量，导致聚焦后会产生不可忽略的旁瓣,无法直接应用于激光加工的问题，对谐振腔的近场分布使用特征向量法和矩形波导的解析表达式进行了数值模拟和实验研究。并结合Collins公式研究了输出光束整形过程中光场分布的变化和整形系统中空间滤波器的优化设计。理论和实验结果表明：激光器输出光束在整形前为有较多高空间频率振荡的长条形的简单象散光束。通过带空间滤波器的整形系统消除旁瓣，并将初始的长条形的简单象散光束整形成近圆形、近基模高斯分布的光束。整形后的光束非稳方向的光束质量因子M2为1.1，波导方向M2为1.08。

通过求解板条波导内电磁场本征模式, 分析了金属板条表面镀介质膜对腔内光场传输特性的影响。分析表明板条内存在着 TE0m和 TM0n两种不同的本征模式, 而膜层材料(或电极金属)的介电常数对决定波导内本征模式及其损耗起重要作用, 计算了几种常见电极波导材料的损耗系数, 结果表明金属波导中 TM波的损耗系数约为 TE波的 30倍以上, 而镀有氧化物介质膜中 TM波和 TE波的损耗系数保持在一个数量级内, 其中, 镀有氧化铝膜的波导传输损耗最小。