近年來，對於超精密加工的進一步小型化和提高質量的要求正在不斷增長。作為滿足這種需求的一種手段，利用短脈衝、短波長激光器的加工方法已經引起了關注。使用皮秒脈衝激光器，能夠實現不產生熱效應的冷燒蝕，從而獲得質量優異的高精度加工。此外，使用短波長激光器可以使激光束的光斑聚焦直徑更小，從而實現更精細的微加工。
目前，用於微加工的常見短脈衝激光器主要有綠色激光器（532nm），其次是紫外激光器（355nm）。另一方麵，266nm的深紫外激光器由於其處理困難而沒有被廣泛使用。
三菱重工工作機械株式會社開發了一款采用深紫外激光器的螺旋鑽機係統。 隨後，公司進行了鑽孔試驗，在試驗中實現了直徑為10μm，縱橫比為10的鑽孔。此外，由於深紫外激光器的高光子能量使得在工件材料上可以完成高質量的鑽孔。這對基於化學作用的精密加工和製造來說是極其有難度的。這有賴於其高硬度和化學穩定性。
深紫外激光聚焦係統
在激光微細加工中，將激光束聚焦並輻照在目標工件的表麵上，並且通過光子能量去除工件被輻照的部分。當聚焦激光光斑直徑較小時，通過激光輻照去除的麵積也隨之變小，微細加工質量得以提高。有多種方法可以實現較小的聚焦激光光斑直徑，例如利用短波長激光器，在聚焦之前擴大光束直徑並縮短焦距。
然而，當激光的波長處於紫外波段範圍時，激光器通過玻璃材料的吸光度會增加。 因此，需要減輕諸如透鏡之類的光學元件材料的應力。在其他方法中，會聚角很大，這可能導致其入口和出口之間的孔的尺寸產生間隙並減小焦深，從而限製由鑽孔加工產生的孔的形狀。
圖1. 每種材料的製造深度與深紫外和綠色激光的能量強度的關係。其中縱軸和橫軸采用歸一化值。所有圖表均采用統一比例。
深紫外激光器采用了新開發的光學激光聚焦係統。通過預先測試用於光學元件的玻璃對於深紫外激光光束的耐久性，同時選擇最佳的玻璃材料並設定適當的激光輻照強度，可以確保透鏡的耐久性。此外，通過優化焦距和透鏡形狀，使得會聚角最小化並實現長焦深，而聚焦的激光光斑直徑保持在非常小的範圍內。
實驗燒蝕率
需要獲得深紫外線激光束和綠色激光束（515nm）對於不同材料的燒蝕率，以比較和評估它們的特性（圖1）。 鑒於此，製備單晶碳化矽（SiC）晶元、硼矽酸鹽玻璃和不鏽鋼作為工件材料。 這些材料被聚焦的深紫外或綠色激光束僅輻照單個脈衝（圖2）。
圖2. 單一碳化矽SiC 晶元（a），硼矽酸鹽玻璃（b 和c）和不鏽鋼（d）分別用聚焦的深紫外或綠色激光束輻照僅單個脈衝（圖2）。
隨後，測量由輻照產生的孔的最大深度。通過用不同程度的脈衝能量進行輻照和測量，獲得每種材料的燒蝕率。 圖1圖表中的縱軸表示加工深度，橫軸表示輻照激光束的中央位置的能量強度。
當對深紫外激光束和綠色激光束之間的燒蝕率進行比較時，深紫外激光束的燒蝕率在每一種材料的使用中都比綠色激光束更高。對於大帶隙的碳化矽材料，深紫外激光束同樣也提供了更高的燒蝕率。一般情況下，當通過短脈衝激光器誘導燒蝕時，激光束的光子能量必須高於工件材料的帶隙。
圖3. 鑽孔和微切槽的實例包括直孔（a），錐形孔（b），倒錐形孔（c）和垂直入孔（d）。
由於光子能量與激光波長成反比，深紫外激光束的光子能量約為綠色激光器的2倍，並高於碳化矽SiC材料的帶隙。 因此，碳化矽SiC材料的燒蝕現象可以完全被深紫外激光束引導。通過使用深紫外線激光器，還可以獲得硼矽酸鹽玻璃的高燒蝕率。因此，可以假定深紫外激光束的光子能量大大有助於這種高燒蝕率。
上述結果證實了深紫外激光器相對於綠色激光束的優越性，並且還可以估算最佳的脈衝數，來獲得針對每種材料所需的製造深度，從而獲得更高的鑽孔質量和優化的鑽孔速率。
螺旋鑽孔特征
廣泛用於微鑽孔的衝擊鑽孔，其方法是將脈衝激光束固定，不允許其移動或是旋轉，並通過輻照來完成鑽孔。由於激光光斑輪廓直接在工件上轉印，因此難以達到高精度的鑽孔加工效果。
作為交替方式，螺旋鑽孔法已被用於上文描述的鑽孔試驗中。在高速並且高精度地旋轉激光束路徑的同時進行螺旋鑽孔，能夠得到高圓度和高質量的鑽孔效果。 此外，公司開發的光學加工頭能夠控製激光束的入射角以及旋轉直徑，從而可以實現任何孔徑和橫截麵形狀。
微加工實例
使用從上述單次脈衝輻照試驗獲得的鑽孔特性，能夠確定激光輻照條件，並且在不鏽鋼（SUS304，厚度：0.2mm）和單晶碳化矽SiC晶元（厚度：0.1mm）上進行鑽孔。與此同時，在硼矽酸鹽玻璃（厚度：0.7mm）上進行微切槽。
圖3顯示的是鑽孔和微切槽的樣品。兩個孔的圓度都極為優良，表明是通過采用螺旋鑽孔方式實現了高精度的鑽孔。此外，孔和槽的內表麵光滑且沒有產生重熔物質，這證明不僅在不鏽鋼上而且在碳化矽SiC晶片和硼矽酸鹽玻璃上都實現了熱效應顯著降低的燒蝕。
通過使用深紫外激光束和優化的光學係統並精確控製光束軌跡，能夠實現10μm直徑的高品質鑽孔，其長寬比為10和10μm寬，並實現了深度微切槽。這用傳統的方式是很難達成的。
展望
為了滿足更精細的激光微細加工的需要，公司開發了使用短脈衝深紫外激光器的光學係統，並用它識別出各種不同材料的鑽孔特性。另外，使用深紫外激光器和螺旋鑽孔法進行了微細加工試驗，實現了直徑最小為10μm，縱橫比最大為10的超精細鑽孔。
圖4. ABLASER- 深紫外線激光微細加工係統采用短脈衝深紫外線激光器。
該激光光學係統安裝在ABLASER——深紫外激光微細加工係統中（圖4）。公司計劃繼續進行技術開發，以便提供可以滿足各種工業領域，更高質量的微細加工需求的最佳解決方案。
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