大約十年以前，第一臺商業(yè)化二極管泵浦固態(tài)(DPSS)激光器正式誕生，其可用波長為355nm。這種激光器的光束為高斯分布，模式接近TEM00模，M2接近為1。光束的高斯分布和所能得到的高重復(fù)頻率使得這種激光源十分適合用于材料的切割，鉆孔或者是打標(biāo)。大部分的材料對于355 nm波長的激光響應(yīng)很好，本刊英文版曾介紹過其用于聚合物加工 (ILS, May 2002) 和金屬加工 (ILS, December 2004) 的比較結(jié)果。DPSS激光器還有許多其他吸引人的特質(zhì)，如表格中所示。但其中最引人注目的是，一旦啟動激光器，它可以連續(xù)工作幾千小時而幾乎不需要任何的維護(hù)措施。就我們所知，目前266 nm商用激光器中具有最高平均功率的是3W Avia系列激光器。 當(dāng)使用激光器進(jìn)行材料加工時利用的是材料的吸收特性(比爾定律)。通常，材料吸收的能量越多，加工結(jié)果越好。此外，加工過程干凈而且精確，熱影響區(qū)域小，其關(guān)鍵是打在材料上的激光具有峰值的功率密度，同時，脈沖能量大，脈寬短且光斑小，并且能量百分之百被吸收。因為波長更短的原因，通常在相同的光學(xué)系統(tǒng)條件下，我們使用266 nm的激光比355 nm 的激光所得到的光斑更小，脈寬更短。我們發(fā)現(xiàn)，使用355 nm激光能夠做到的，使用266 nm激光都同樣能夠做到，并且后者通常效果更好(但速度上并非總優(yōu)于前者)，并且，我們使用266 nm激光可以進(jìn)行許多使用355 nm激光不能進(jìn)行的加工。 大部分266 nm激光器使用振鏡式導(dǎo)光系統(tǒng)，這種系統(tǒng)既簡單又有效。場透鏡的焦距決定了光學(xué)分辨率和工作距離，不過大部分的光學(xué)裝置有1英寸到6英寸的場，光斑大小范圍從10到30微米。我們安裝了一套特定的系統(tǒng)，使用了Scanlab的三軸掃描頭，它具有30英寸的場距。如果使用同軸的輔助氣體，那么也可以使用固定的導(dǎo)光系統(tǒng)，但是對于大部分的應(yīng)用來說，速度的降低將帶來不便，但對于大批量應(yīng)用來說是例外，這種情況下光束在材料上畫出簡單的直線，如晶圓切割。在其他涉及圓圈，圓弧，或者更復(fù)雜圖形的應(yīng)用中，振鏡是迄今最典型和有效率的方法。 DPSS激光器的巨大優(yōu)勢在于，它可以在幾乎不需任何設(shè)置要求的情況下，將CAD文件輸入到激光控制軟件中，從而降低設(shè)置時間和成本。與準(zhǔn)分子激光器相比，只要軟件足夠好， 對DPSS激光器進(jìn)行設(shè)置是直接并且方便的。 如果你需要紫外光，那么355 nm 是最佳選擇，266 nm是次好選擇，最后是準(zhǔn)分子激光。這里并不是否定準(zhǔn)分子激光技術(shù)，而是因為這種激光與DPSS激光相比非常的昂貴，并且很難操作，不過還是有許多的加工由準(zhǔn)分子激光器來進(jìn)行最為有效，而且還有許多的加工是其他激光器所不能做的。準(zhǔn)分子激光器更適合在對尺寸、切口整潔程度的要求高于速度和成本的場合。尤其是當(dāng)?shù)玫降膱D案尺寸? ⒚薌忠恢率保褂謎庀羆際蹩梢員冉蝦纖恪? 圖1 使用266 nm激光對陶瓷機(jī)心軸上生物相容性材料的切割 圖2. 使用266 nm激光在玻璃內(nèi)部打標(biāo)記 圖3. 使用266 nm激光切割Teflon塑料 圖4. 不銹鋼切割的對比：(a) 355 nm 和 (b) 266 nm。 圖5. 氧化鋁切割對比：(a) 355 nm和 (b) 266 nm圖1給出了在陶瓷機(jī)心軸上生物相容性材料的切割。切口是利用266 nm激光切割的，可以看到的激光切口干凈而平整，與常用于該加工的193 nm激光器所能得到的結(jié)果類似。當(dāng)然，這里需要一些技巧，但是在這種材料上得到很好的切口是可能的，實際上該材料可以吸收足夠的能量，但是它對于加熱極其敏感。隨著生物相容性材料作的支架代替金屬支架，可以預(yù)測，僅于對此產(chǎn)品也將有幾百臺266 nm激光器被投入使用。 圖2給出了一個在玻璃里標(biāo)記的二維代碼。通常，即使使用了紫外激光，表面標(biāo)記也會產(chǎn)生一些微裂痕或者碎屑，但是266 nm激光使得我們可以真正在塊狀材料內(nèi)部得到可讀的標(biāo)記，并且該標(biāo)記不會產(chǎn)生可擴(kuò)散的壓力。 圖3給出了用266 nm激光切割的Teflon材料。其獨特的地方在于，在266 nm附近，材料對能量的吸收并不多，但激光切割時又能很好的象193 nm激光或者更好的157 nm激光一樣來熔融材料。這樣，我們得到的加工條件讓我們能在更快的速度下得到準(zhǔn)分子激光加工的質(zhì)量，并且不需要對光路抽真空或者進(jìn)行凈化程序。 圖4給出了兩幅對不銹鋼加工的圖片，厚度為1.2 mil，入口處D僅有120 μm，中心之間的間距為170 μm。非常明顯，355 nm激光(a)雖然表現(xiàn)也不錯，但是266 nm激光得到的結(jié)果更好。 同樣的結(jié)果在圖5中也可以看到，該圖中，同樣大小和間距的孔打在8 mil厚的氧化鋁陶瓷上。對比性的試驗(圖4和圖5)中應(yīng)用的光斑大小 (約為15 μm)，目標(biāo)材料上的能量密度，掃描速度等等參數(shù)都幾乎相同，唯一不同的是DPSS激光的波長不同。 2002年的文章中，我們曾談到，“希望紫外激光光源能夠提供具有很短的脈寬 (1 ps或者更小)，高重復(fù)頻率 (>50 kHz)，高功率 (> 10 W)，低M2的光束，還必須保證光束平頂并且準(zhǔn)直，同時所有的元件集中在一個簡潔和可靠的機(jī)器外殼中。”現(xiàn)在，所有的要求都已經(jīng)可以實現(xiàn)，只是，元件還不是都在同一個機(jī)器外殼里。后來，我們改變了對脈寬的要求，現(xiàn)在我們認(rèn)為脈寬小于1 ns也能夠接受，并且我們使用4 ns激光得到了非常不錯的結(jié)果。對于266 nm的激光，10 W的輸出還沒有實現(xiàn)商業(yè)化，并且從我們與不同的制造商的討論來看，雖然每個人都“希望得到更高功率”，但是沒有人真的往這個方向去發(fā)展——至少他們目前還沒有表明有這樣的意向。人們也可能考慮到五次諧波得到的213 nm激光的同樣問題，但是，似乎沒有人在進(jìn)行這個波長激光器的開發(fā)，這主要是因為近期沒有明顯的市場需求以便在短期內(nèi)以很高的價格賣出機(jī)器。如果我們打算列出我們新的清單，我們只會在上述的條目里面加上，我們希望所有的元件可以都組合到一臺光纖激光器架構(gòu)中。 事實上，我們非常希望有紫外光纖激光器，即使脈寬在幾十個納秒也可以。紫外光纖激光器目前正在研究中，并且在幾年內(nèi)將成為現(xiàn)實，但是很可能無法短期內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化。266 nm光束整形器件已成為可能，這將是我們下一步研究目標(biāo)。 綜上所述，目前高精度加工領(lǐng)域的競爭核心是關(guān)于短波長短脈寬激光加工技術(shù)的較量。現(xiàn)在已有的幾種紫外激光光源在許多不同的場合中得到應(yīng)用。DPSS技術(shù)平臺的擴(kuò)展，包括266 nm激光的使用，與355 nm激光相比，開拓了更多方面的應(yīng)用，比如對玻璃材料的標(biāo)記和打孔，對醫(yī)療設(shè)備的清潔加工－尤其是對在長波長處能量吸收效果不佳的材料，對薄金屬板幾乎無毛邊的加工，以及對陶瓷進(jìn)行干凈的打孔。我們總在尋找一流的最新激光器，以幫助我們滿足更多的用戶需求，希望新的一年將帶來新的激光器產(chǎn)品。 Ronald D. Schaeffer博士，工業(yè)激光解決方案 (ILS)特約編輯，是PhotoMachining公司的總裁，Gabor Kardos是該公司產(chǎn)品應(yīng)用部經(jīng)理，Oleg Derkach博士是該部門的科研人員。(www.photomachining.com)