準分子激光器推進技術革新
作為(wei) 當今最有效、最可靠的脈衝(chong) 紫外激光技術的代表，準分子激光器有效地推進了諸如平板顯示、汽車製造、生物醫學設備及可替代能源等多種成長型工業(ye) 中的技術革新。
波長和輸出功率，這兩(liang) 個(ge) 基本屬性的結合，決(jue) 定了準分子激光器在上述這些高科技產(chan) 業(ye) 中的獨特價(jia) 值。因為(wei) ，這些工業(ye) 領域比以往任何時候更需要平衡日益增長的性能需求與(yu) 加工速度及製造成本之間的矛盾。

紫外表麵處理
準分子激光是一種窄帶寬的紫外光源，可以為(wei) 基於(yu) 商用激光的製造業(ye) 提供最短的波長或（相當於(yu) ）最高的激光光子能量。由於(yu) 在激光材料加工領域可以達到的光學分辨率與(yu) 激光波長有關(guan) ，因此短波長的準分子激光成為(wei) 市場上最為(wei) 精確的光學加工工具。利用基於(yu) 商用準分子激光的材料加工係統，如圖1所示，可以獲得接近1祄的特征尺寸[1]（具體(ti) 數值取決(jue) 於(yu) 波長和材料）。


 

圖1. 對堅硬的固體(ti) 材料層使用248nm準分子激光掩膜成像形成的大麵積薄膜圖樣。整個(ge) 高分辨率圖樣的獲得僅(jin) 利用了單個(ge) 準分子激光脈衝(chong) 。

而且，短波長代表著最小的橫向結構，同時，材料對高光子能量（例如，248nm時為(wei) 5eV或 193nm時為(wei) 6.4eV）的強烈吸收，又將意味著激光對材料縱向的影響非常有限。實際上，準分子激光在薄膜材料加工中的深度分辨率在亞(ya) 微米範圍，通常每脈衝(chong) 可以小至50nm（具體(ti) 數值取決(jue) 於(yu) 樣本材料和激光波長）。


 

圖2. 鑽石經193nm準分子激光燒蝕形成的凹坑：左圖為(wei) 10個(ge) 激光脈衝(chong) 情況，右圖為(wei) 600個(ge) 激光脈衝(chong) 情況。凹坑的平整度表明了準分子激光光束在整個(ge) 照明區域具有極高的均勻性。

準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加工能力。在通過改變微結構來增進大表麵功能的領域，準分子激光已成為(wei) 最為(wei) 理想的工具。
除此之外，準分子激光是目前基於(yu) 商用激光的製造業(ye) 中，可利用的最強紫外激光。

紫外技術比較
現在，準分子激光在308nm的輸出功率已經超過500W，如圖3所示。圖中對基於(yu) 準分子激光技術、二極管泵浦及閃光燈泵浦的全固態激光技術所能取得的功率水平進行了對比。目前先進水平的準分子激光器可以輸出高達1J的脈衝(chong) 能量，同時重複頻率可高達600Hz。由於(yu) 極高的脈衝(chong) 能量，可使處於(yu) 每平方厘米高達1J的能量密度下、麵積寬達30mm2的樣品，通過逐個(ge) 準分子激光脈衝(chong) 的刻蝕，實現樣品的微細構造。這種微細構造的實現過程，如果轉化到更大的尺度上，可以比喻為(wei) 用一片片青草去構造足球場。


 

圖3. 各種高功率準分子激光器的輸出功率水平與(yu) 基於(yu) 全固態的355nm激光技術比較，圖中給出了308nm和248nm波長的準分子激光情況。

同時高功率準分子激光器可以在高達600Hz的重複頻率下運轉，使得每秒處理幾十平方厘米的表麵加工速度成為(wei) 可能。
準分子激光器具有可擴展至數百瓦的較高的單脈衝(chong) 能量，這意味著可以處理更大的區域尺寸，同時每秒鍾可提供數百個(ge) 脈衝(chong) ，這必將在製造業(ye) 中引發規模效應，以前所未有的方式增進盈利。
隻有當紫外激光的波長和高輸出功率這兩(liang) 個(ge) 必要條件同時具備，正如準分子激光器那樣，才能滿足工業(ye) 界對於(yu) 微尺度構造及快速大麵積表麵處理（每秒速度達幾十平方厘米）的迫切需求。
事實上，基於(yu) 表麵微結構處理的準分子激光器常常是基本的製造步驟，在下文介紹應用實例時會(hui) 作進一步闡述。

紫外光的直接產(chan) 生是關(guan) 鍵
準分子激光技術的激光躍遷發生在紫外光譜範圍，正是這個(ge) 原因，使得準分子激光技術能夠淩駕於(yu) 其他紫外技術之上。準分子激光是在內(nei) 在機理上直接產(chan) 生紫外光子，這使其成為(wei) 市場上最強和最穩定的紫外激光光源。


 

表1：各種紫外技術的性能參數比較（準分子激光 vs. 基於(yu) 頻率變換的Nd:YAG激光）

與(yu) 此相反，並行的紫外產(chan) 生概念基於(yu) 紅外（IR）及可見光，需要采用非線性頻率轉換技術，這將不可避免地使紫外輸出效率及輸出穩定性大打折扣，嚴(yan) 重影響激光器的實際輸出性能[2]。
表1概括比較了準分子激光器技術和紅外上轉換激光器技術的典型紫外性能參數。
隻有準分子激光器可以直接發射紫外波長，並且沒有任何其他的技術折中，這使其在微米級高精度加工、高生產(chan) 能力的批處理及大規模製造中成為(wei) 最卓越的解決(jue) 方案。

經紫外準分子處理後獲得更好的表麵特性
以下給出的多個(ge) 應用實例，將最大限度地呈現準分子激光器在當今先進製造領域中的創新潛力。在下述這些製造實例中，均包含生產(chan) 中起關(guan) 鍵作用的準分子激光器，以實現性能上的飛躍。


 

圖4. 經準分子激光處理的Diesel 引擎汽缸視圖（Audi AG）。

增強Diesel馬達的性能
Diesel引擎是世界上運輸部門領域最重要的汽油、柴油燃料使用者之一。Diesel引擎對於(yu) 公共交通、貨運（通過公路、鐵路及海洋等）及農(nong) 業(ye) 機械至關(guan) 重要。並且，大約40%的歐洲汽車市場是基於(yu) Diesel引擎的。
市場對於(yu) 更高功率及效率的需求，加之嚴(yan) 格的環境立法對節省燃料以及減小環境汙染的苛刻要求，不斷迫使引擎製造商尋求製造方案上的革新。
因為(wei) Diesel引擎技術使用高的壓縮比，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(chuan) 統的汽缸壁處理
如圖5所示，在傳(chuan) 統汽缸套的內(nei) 壁上呈現出許多微通道交錯的形貌，這是由於(yu) 機械拋光（即所謂的搪磨處理）導致的。由於(yu) 這些微通道的存在，當活塞在汽缸內(nei) 移動時，缸內(nei) 的潤滑油將順著這些微通道流出缸外，這將嚴(yan) 重削弱活塞環和汽缸壁的潤滑效果。並且，事實上，活塞環和汽缸套壁之間的摩擦損耗占據Diesel引擎所有損耗的比例多達60%。


 

圖5.傳(chuan) 統鑄鐵汽缸套表麵的微結構圖（Audi AG）。從(cong) 圖中可以清晰地看到由於(yu) 機械搪磨加工引起的呈十字交叉狀的微通道結構。

圖6. 經過準分子激光處理後的汽缸套表麵的微結構圖。更為(wei) 平滑和堅硬的表麵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儲(chu) 油容器（Audi AG）。 #p#分頁標題#e#