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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(chē)制造、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備及可替代能源等多種成長(zhǎng)型工業(yè)中的技術(shù)革新。
波長(zhǎng)和輸出功率，這兩個(gè)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(dú)特價(jià)值。因?yàn)椋@些工業(yè)領(lǐng)域比以往任何時(shí)候更需要平衡日益增長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)有關(guān)，因此短波長(zhǎng)的準(zhǔn)分子激光成為市場(chǎng)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(zhǎng)和材料）。


 

圖1. 對(duì)堅(jiān)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(gè)高分辨率圖樣的獲得僅利用了單個(gè)準(zhǔn)分子激光脈沖。

而且，短波長(zhǎng)代表著最小的橫向結(jié)構(gòu)，同時(shí)，材料對(duì)高光子能量（例如，248nm時(shí)為5eV或 193nm時(shí)為6.4eV）的強(qiáng)烈吸收，又將意味著激光對(duì)材料縱向的影響非常有限。實(shí)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(zhǎng)）。


 

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(gè)激光脈沖情況，右圖為600個(gè)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(gè)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(wú)可匹敵的高分辨率光學(xué)加工能力。在通過(guò)改變微結(jié)構(gòu)來(lái)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(guò)500W，如圖3所示。圖中對(duì)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(duì)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(shí)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(guò)逐個(gè)準(zhǔn)分子激光脈沖的刻蝕，實(shí)現(xiàn)樣品的微細(xì)構(gòu)造。這種微細(xì)構(gòu)造的實(shí)現(xiàn)過(guò)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(chǎng)。


 

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(zhǎng)的準(zhǔn)分子激光情況。

同時(shí)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(yùn)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(shí)每秒鐘可提供數(shù)百個(gè)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(zhǎng)和高輸出功率這兩個(gè)必要條件同時(shí)具備，正如準(zhǔn)分子激光器那樣，才能滿足工業(yè)界對(duì)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(shí)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(shí)例時(shí)會(huì)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(gè)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(chǎng)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(jiàn)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(shí)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(zhǎng)，并且沒(méi)有任何其他的技術(shù)折中，這使其在微米級(jí)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(gè)應(yīng)用實(shí)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(shí)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(shí)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(yùn)輸部門(mén)領(lǐng)域最重要的汽油、柴油燃料使用者之一。Diesel引擎對(duì)于公共交通、貨運(yùn)（通過(guò)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(chē)市場(chǎng)是基于Diesel引擎的。
市場(chǎng)對(duì)于更高功率及效率的需求，加之嚴(yán)格的環(huán)境立法對(duì)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?yàn)镈iesel引擎技術(shù)使用高的壓縮比，考慮到潤(rùn)滑及耐磨的要求，活塞在鑄鐵汽缸套（如圖4所示）中來(lái)回移動(dòng)時(shí)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(cuò)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(dòng)時(shí)，缸內(nèi)的潤(rùn)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(rùn)滑效果。并且，事實(shí)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(guò)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(jiān)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(chǔ)油容器（Audi AG）。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#