大約十年以前，第一臺商業化二極管泵浦固態(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。大部分的材料對于355 nm波長的激光響應很好，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) 的比較結果。DPSS激光器還有許多其他吸引人的特質，如表格中所示。但其中最引人注目的是，一旦啟動激光器，它可以連續工作幾千小時而幾乎不需要任何的維護措施。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。 當使用激光器進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，加工結果越好。此外，加工過程干凈而且精確，熱影響區域小，其關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，通常在相同的光學系統條件下，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。我們發現，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(但速度上并非總優于前者)，并且，我們使用266 nm激光可以進行許多使用355 nm激光不能進行的加工。 大部分266 nm激光器使用振鏡式導光系統，這種系統既簡單又有效。場透鏡的焦距決定了光學分辨率和工作距離，不過大部分的光學裝置有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，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光系統，但是對于大部分的應用來說，速度的降低將帶來不便，但對于大批量應用來說是例外，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，或者更復雜圖形的應用中，振鏡是迄今最典型和有效率的方法。 DPSS激光器的巨大優勢在于，它可以在幾乎不需任何設置要求的情況下，將CAD文件輸入到激光控制軟件中，從而降低設置時間和成本。與準分子激光器相比，只要軟件足夠好， 對DPSS激光器進行設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，最后是準分子激光。這里并不是否定準分子激光技術，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分子激光器來進行最為有效，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。尤其是當得到的圖案尺寸? 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激光在玻璃內部打標記 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果類似。當然，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，可以預測，僅于對此產品也將有幾百臺266 nm激光器被投入使用。 圖2給出了一個在玻璃里標記的二維代碼。通常，即使使用了紫外激光，表面標記也會產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部得到可讀的標記，并且該標記不會產生可擴散的壓力。 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分子激光加工的質量，并且不需要對光路抽真空或者進行凈化程序。 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)雖然表現也不錯，但是266 nm激光得到的結果更好。 同樣的結果在圖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)中應用的光斑大小 (約為15 μm)，目標材料上的能量密度，掃描速度等等參數都幾乎相同，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直，同時所有的元件集中在一個簡潔和可靠的機器外殼中。”現在，所有的要求都已經可以實現，只是，元件還不是都在同一個機器外殼里。后來，我們改變了對脈寬的要求，現在我們認為脈寬小于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果。對于266 nm的激光，10 W的輸出還沒有實現商業化，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，似乎沒有人在進行這個波長激光器的開發，這主要是因為近期沒有明顯的市場需求以便在短期內以很高的價格賣出機器。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，并且在幾年內將成為現實，但是很可能無法短期內實現商業化。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。 綜上所述，目前高精度加工領域的競爭核心是關于短波長短脈寬激光加工技術的較量。現在已有的幾種紫外激光光源在許多不同的場合中得到應用。DPSS技術平臺的擴展，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用，比如對玻璃材料的標記和打孔，對醫療設備的清潔加工－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品。 Ronald D. Schaeffer博士，工業激光解決方案 (ILS)特約編輯，是PhotoMachining公司的總裁，Gabor Kardos是該公司產品應用部經理，Oleg Derkach博士是該部門的科研人員。(www.photomachining.com)