因為許多天然和合成材料在CO2激光器跨越的9-12μm光譜范圍內具有強的特征吸收，所以在材料處理和光譜分析中有許多機會。這些波長也包含在大氣傳輸的重要窗口中，是許多感測和測距應用的理想選擇（見圖1）。
典型的CO2激光器由混合CO2分子的大量氣體放電組成。由于分子振動和自轉的能量級非常接近，這些能量級之間躍遷發射的光子與可見光和近紅外（NIR）光相比具有低能量和長波長。
二氧化碳激光器可提供從毫瓦到數十千瓦的功率水平，應用范圍從小型儀器到大功率切割。并且因為CO2激光器具有非常高的光譜純度，具有<1kHz的輻射線寬而沒有功率權衡，轉換效率可達10％。這些特性使CO2激光器能夠應對材料加工，光探測和測距（激光雷達），熱視覺輔助和靶向治療醫學應用等新興應用。
在二氧化碳激光器發明以來的幾十年中，成千上萬的二氧化碳激光器被用于醫藥、制造和科學研究，從中國高速生產線上為水瓶打印四位代碼，到德國奔馳汽車的零部件焊接。即使在今天，隨著光纖激光器在類似應用中的普及以及量子級聯激光器（QCL）正在創造的新領域，CO2激光器仍將是市場上最廣泛使用的激光器之一。
挑戰競爭
盡管有這些長期的優勢，二氧化碳激光器正在面臨幾個方面的挑戰。光纖激光器和QCL已經“進軍”到以前由CO2激光器主導的一些應用領域。
圖1 二氧化碳（CO2）激光器在電磁譜內的發射范圍（a）紅色框中，是大氣傳播的共同窗口。
對于九種CO2同位素中的激射躍遷，（b）示出了頻率和波長覆蓋。
在工業應用方面，高功率光纖激光器以更低的成本提供更高的效率和更好的金屬吸收。然而，CO2激光器仍然是處理許多不吸收光纖激光器的NIR波長的非金屬材料的唯一選擇。
量子級聯激光器尺寸小巧并且波長可以跨越2-12μm，非常適合應用于光譜學。然而，在8-12μm的長波紅外（LWIR）頻段中，許多傳感和光譜敏感的工業和醫療應用需要高功率、光譜純度、優異相干性和穩定的空間模式相結合，而這種需求惟有CO2激光器可以提供。
除了技術挑戰，主要來自中國不斷擴大的激光產業，已經推動價格走到低谷。標準二氧化碳激光器正在成為一種純粹的商品，進入市場和利潤率迅速下降。就在三年前，中國公司以4500美元購買美國制造的30 W二氧化碳激光器。而現在，中國激光制造商已經帶著自己的2000美元二氧化碳激光器進入市場參與競爭。
這些因素標志著公司按指定平均功率生產激光器、價格與所交付的功率成比例的“每瓦每美元”時代的結束。使用這種策略的公司，像新銳、相干和羅芬這樣的知名企業建立了從幾瓦到幾十千瓦的激光器家族系列，衍生出了二氧化碳激光器應用于塑料制造工廠、牙醫辦公室和手機組裝線的行業。
雖然CO2激光器可以解決所有工業需求的時代即將結束，我們正面臨新材料和日益苛刻的工業科學過程所帶來的挑戰，需要對激光器真正價值主張有更深入的技術理解，以及制造和銷售二氧化碳激光器的不同方法。
在制造方面，這種新范式利用CO2激光器寬范圍規格緊密匹配特定的客戶要求。在營銷方面，由原來的按平均功率訂價的方式轉向客戶特定方案訂價，如脈沖整形、峰值功率、波長特征以及運作穩定性匹配特殊材料及應用需求。
EUV光刻
在探索擴展摩爾定律的道路上，二氧化碳激光器已被確定為激光產生等離子體（LPP）產生極紫外（EUV）輻射的最佳工具。這種13.5nm的EUV光通過蒸發熔融液滴錫而產生。而測試其它激光器用于這種應用時，例如釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）激光器，效率沒有二氧化碳激光器高，因為錫對CO2激光照明的反射率高得多，所以二氧化碳激光器產生更高速度和更好等離子體性質的光學流。
為了產生EUV光，需要CO2激光器提供單一波長（10.6μm）、光學質量完美、相同高速脈沖流，同時具有半導體工業所需的清潔度、準確性和可重復性。
為了滿足這些嚴格的要求，用于EUV的CO2激光器完全按照ISO 7級潔凈室建造，從原材料加工到最終測試（見圖2）。每個激光器都要經過連續12小時輸出測試，完全符合測試規范，因為任何偏差都可能產生數千個故障半導體芯片。
圖2 用于產生EUV光的CO2激光器在現代制造設備中經過嚴格的測試
消除LIGO失真
由干涉儀光學器件吸收任何光子，這會使光學器件失真，并產生足夠的熱噪聲掩蓋有用的檢測信號。雖然LIGO設計光學器件時會考慮熱失真，但實際上需要實時微調以匹配主光束的功率和每個光學器件的個別質量。
二氧化碳激光器是調節光學器件的合理方式，因為其輸出的光束被LIGO的光學器件高度吸收，并且它可以提供高波長純度和功率穩定性，不會對測量增加更多的噪聲。
但根據LIGO特定的具體應用需求，開發單波長穩定CO2激光器，適用于在實時自適應系統內非常精準控制回路，精確抵消光學畸變（見圖3）。當光學元件對熱變形進行補償不足時，CO2激光束成形為環以提供額外的補償（過熱校正），而如果光學元件被過度補償，則CO2激光光束在光學元件的中心成形為盤，以減弱補償（欠熱校正）。
圖3 二氧化碳激光器用于校正LIGO儀器中的光學失真
牙科手術
最近，科學家發現人類硬組織（骨骼和牙齒）在9.3-9.6μm范圍內具有強烈的吸收（參見圖6）。研究還表明，CO2激光器獨特地適用于硬、軟組織，以及用于防止齲齒（蛀牙）。
雖然其他波長，如2.94微米適合于軟組織和硬組織，只有在9.3和9.6微米波長的二氧化碳激光器提供齲預防和清除的額外好處。舊金山牙科學院院長約翰·費瑟斯通教授將這一發現比作激光牙科新時代的太陽升起。
脈沖能量為多毫焦耳，脈沖長度為5-20μs，可靠運行時間達數千小時，CO2激光器獨特的性能適用于牙科手術和治療。雖然這項技術遠未實現大規模應用，但基于9.3μm脈沖CO2激光器的商業牙科系統現在可用于硬組織和軟組織。
加工新材料
隨著制造業繼續向全進程自動化全球轉變，激光器正在改變傳統工藝的價值主張，例如包裝等行業中的刀具切割和材料沖壓。像亞馬遜這樣的公司正在推進一項改革，從傳統紙板箱的固定包裝尺寸到新型塑料材料的構建性軟性包裝，這種新型包裝將在現場創建以完全滿足特定貨物的需求。
軟包裝具有重量更輕、安全可生物降解的優點，降低了運輸和包裝固定成本以及對環境影響，成為亞馬遜未來競爭的關鍵性能指標。這種轉變通過以下事實實現：激光器不斷發展，并且提供遠超過機械系統的可重復性和準確性。
新型多層塑料在CO2光譜中的一條特定線處具有非常強的吸收峰，甚至需要激光器在切割過程中從一層到另一層飛速轉換波長。更換大型刀切系統將需要激光器陣列能夠產生幾乎沒有熱影響區的切除，同時跟蹤每秒移動數百英尺的網。這種專用激光器需要在光譜中的單個波長處具有高精度，具有100到1或甚至更高的潛在高峰值功率對平均功率比和快（> 10kHz）脈沖。
傳統上，這樣的峰值功率和快速脈沖要求Q開關或其它外部調制技術，這些技術對于封裝這樣的行業來說大規模部署成本太過昂貴。然而，我們正在開發的千瓦峰值功率二氧化碳激光器，沒有小形狀因子的外部調制滿足這些要求。事實上，制造業、醫學和材料科學的最新趨勢正在迫使過去半個世紀的“美元/瓦特”的價值主張演變為CO2激光器的以客戶為中心、定制應用的時代。
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