準(zhǔn)分子激光器推進(jìn)技術(shù)革新
作為當(dāng)今最有效、最可靠的脈沖紫外激光技術(shù)的代表，準(zhǔn)分子激光器有效地推進(jìn)了諸如平板顯示、汽車制造、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備及可替代能源等多種成長型工業(yè)中的技術(shù)革新。
波長和輸出功率，這兩個基本屬性的結(jié)合，決定了準(zhǔn)分子激光器在上述這些高科技產(chǎn)業(yè)中的獨特價值。因為，這些工業(yè)領(lǐng)域比以往任何時候更需要平衡日益增長的性能需求與加工速度及制造成本之間的矛盾。

紫外表面處理
準(zhǔn)分子激光是一種窄帶寬的紫外光源，可以為基于商用激光的制造業(yè)提供最短的波長或（相當(dāng)于）最高的激光光子能量。由于在激光材料加工領(lǐng)域可以達(dá)到的光學(xué)分辨率與激光波長有關(guān)，因此短波長的準(zhǔn)分子激光成為市場上最為精確的光學(xué)加工工具。利用基于商用準(zhǔn)分子激光的材料加工系統(tǒng)，如圖1所示，可以獲得接近1祄的特征尺寸[1]（具體數(shù)值取決于波長和材料）。


 

圖1. 對堅硬的固體材料層使用248nm準(zhǔn)分子激光掩膜成像形成的大面積薄膜圖樣。整個高分辨率圖樣的獲得僅利用了單個準(zhǔn)分子激光脈沖。

而且，短波長代表著最小的橫向結(jié)構(gòu)，同時，材料對高光子能量（例如，248nm時為5eV或 193nm時為6.4eV）的強(qiáng)烈吸收，又將意味著激光對材料縱向的影響非常有限。實際上，準(zhǔn)分子激光在薄膜材料加工中的深度分辨率在亞微米范圍，通常每脈沖可以小至50nm（具體數(shù)值取決于樣本材料和激光波長）。


 

圖2. 鉆石經(jīng)193nm準(zhǔn)分子激光燒蝕形成的凹坑：左圖為10個激光脈沖情況，右圖為600個激光脈沖情況。凹坑的平整度表明了準(zhǔn)分子激光光束在整個照明區(qū)域具有極高的均勻性。

準(zhǔn)分子激光在樣本材料的橫向及縱向均可以提供無可匹敵的高分辨率光學(xué)加工能力。在通過改變微結(jié)構(gòu)來增進(jìn)大表面功能的領(lǐng)域，準(zhǔn)分子激光已成為最為理想的工具。
除此之外，準(zhǔn)分子激光是目前基于商用激光的制造業(yè)中，可利用的最強(qiáng)紫外激光。

紫外技術(shù)比較
現(xiàn)在，準(zhǔn)分子激光在308nm的輸出功率已經(jīng)超過500W，如圖3所示。圖中對基于準(zhǔn)分子激光技術(shù)、二極管泵浦及閃光燈泵浦的全固態(tài)激光技術(shù)所能取得的功率水平進(jìn)行了對比。目前先進(jìn)水平的準(zhǔn)分子激光器可以輸出高達(dá)1J的脈沖能量，同時重復(fù)頻率可高達(dá)600Hz。由于極高的脈沖能量，可使處于每平方厘米高達(dá)1J的能量密度下、面積寬達(dá)30mm2的樣品，通過逐個準(zhǔn)分子激光脈沖的刻蝕，實現(xiàn)樣品的微細(xì)構(gòu)造。這種微細(xì)構(gòu)造的實現(xiàn)過程，如果轉(zhuǎn)化到更大的尺度上，可以比喻為用一片片青草去構(gòu)造足球場。


 

圖3. 各種高功率準(zhǔn)分子激光器的輸出功率水平與基于全固態(tài)的355nm激光技術(shù)比較，圖中給出了308nm和248nm波長的準(zhǔn)分子激光情況。

同時高功率準(zhǔn)分子激光器可以在高達(dá)600Hz的重復(fù)頻率下運轉(zhuǎn)，使得每秒處理幾十平方厘米的表面加工速度成為可能。
準(zhǔn)分子激光器具有可擴(kuò)展至數(shù)百瓦的較高的單脈沖能量，這意味著可以處理更大的區(qū)域尺寸，同時每秒鐘可提供數(shù)百個脈沖，這必將在制造業(yè)中引發(fā)規(guī)模效應(yīng)，以前所未有的方式增進(jìn)盈利。
只有當(dāng)紫外激光的波長和高輸出功率這兩個必要條件同時具備，正如準(zhǔn)分子激光器那樣，才能滿足工業(yè)界對于微尺度構(gòu)造及快速大面積表面處理（每秒速度達(dá)幾十平方厘米）的迫切需求。
事實上，基于表面微結(jié)構(gòu)處理的準(zhǔn)分子激光器常常是基本的制造步驟，在下文介紹應(yīng)用實例時會作進(jìn)一步闡述。

紫外光的直接產(chǎn)生是關(guān)鍵
準(zhǔn)分子激光技術(shù)的激光躍遷發(fā)生在紫外光譜范圍，正是這個原因，使得準(zhǔn)分子激光技術(shù)能夠凌駕于其他紫外技術(shù)之上。準(zhǔn)分子激光是在內(nèi)在機(jī)理上直接產(chǎn)生紫外光子，這使其成為市場上最強(qiáng)和最穩(wěn)定的紫外激光光源。


 

表1：各種紫外技術(shù)的性能參數(shù)比較（準(zhǔn)分子激光 vs. 基于頻率變換的Nd:YAG激光）

與此相反，并行的紫外產(chǎn)生概念基于紅外（IR）及可見光，需要采用非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，這將不可避免地使紫外輸出效率及輸出穩(wěn)定性大打折扣，嚴(yán)重影響激光器的實際輸出性能[2]。
表1概括比較了準(zhǔn)分子激光器技術(shù)和紅外上轉(zhuǎn)換激光器技術(shù)的典型紫外性能參數(shù)。
只有準(zhǔn)分子激光器可以直接發(fā)射紫外波長，并且沒有任何其他的技術(shù)折中，這使其在微米級高精度加工、高生產(chǎn)能力的批處理及大規(guī)模制造中成為最卓越的解決方案。

經(jīng)紫外準(zhǔn)分子處理后獲得更好的表面特性
以下給出的多個應(yīng)用實例，將最大限度地呈現(xiàn)準(zhǔn)分子激光器在當(dāng)今先進(jìn)制造領(lǐng)域中的創(chuàng)新潛力。在下述這些制造實例中，均包含生產(chǎn)中起關(guān)鍵作用的準(zhǔn)分子激光器，以實現(xiàn)性能上的飛躍。


 

圖4. 經(jīng)準(zhǔn)分子激光處理的Diesel 引擎汽缸視圖（Audi AG）。

增強(qiáng)Diesel馬達(dá)的性能
Diesel引擎是世界上運輸部門領(lǐng)域最重要的汽油、柴油燃料使用者之一。Diesel引擎對于公共交通、貨運（通過公路、鐵路及海洋等）及農(nóng)業(yè)機(jī)械至關(guān)重要。并且，大約40%的歐洲汽車市場是基于Diesel引擎的。
市場對于更高功率及效率的需求，加之嚴(yán)格的環(huán)境立法對節(jié)省燃料以及減小環(huán)境污染的苛刻要求，不斷迫使引擎制造商尋求制造方案上的革新。
因為Diesel引擎技術(shù)使用高的壓縮比，考慮到潤滑及耐磨的要求，活塞在鑄鐵汽缸套（如圖4所示）中來回移動時的摩擦條件是非常重要的。

傳統(tǒng)的汽缸壁處理
如圖5所示，在傳統(tǒng)汽缸套的內(nèi)壁上呈現(xiàn)出許多微通道交錯的形貌，這是由于機(jī)械拋光（即所謂的搪磨處理）導(dǎo)致的。由于這些微通道的存在，當(dāng)活塞在汽缸內(nèi)移動時，缸內(nèi)的潤滑油將順著這些微通道流出缸外，這將嚴(yán)重削弱活塞環(huán)和汽缸壁的潤滑效果。并且，事實上，活塞環(huán)和汽缸套壁之間的摩擦損耗占據(jù)Diesel引擎所有損耗的比例多達(dá)60%。


 

圖5.傳統(tǒng)鑄鐵汽缸套表面的微結(jié)構(gòu)圖（Audi AG）。從圖中可以清晰地看到由于機(jī)械搪磨加工引起的呈十字交叉狀的微通道結(jié)構(gòu)。

圖6. 經(jīng)過準(zhǔn)分子激光處理后的汽缸套表面的微結(jié)構(gòu)圖。更為平滑和堅硬的表面意味著更少的摩擦和磨損。釋放出石墨包含物的凹槽可以充當(dāng)儲油容器（Audi AG）。 #p#分頁標(biāo)題#e#