準(zhǔn)分子激光技術(shù)不斷擴(kuò)大在制造業(yè)微加工中的應(yīng)用

    準(zhǔn)分子激光技術(shù)（準(zhǔn)分子激光氣體產(chǎn)生激光）在制造業(yè)微加工應(yīng)用不斷擴(kuò)大，包括鉆石等激光打標(biāo)、材料表面改性、高碳鋼淬火、三維加工。準(zhǔn)分子激光技術(shù)在微加工中可以得到小孔，刻線，以及其他三維復(fù)雜的圖案，如果結(jié)合有效反饋( 比如，用激光測(cè)量)來(lái)控制光的輸入，加工精度在深度方向可達(dá)亞微米量級(jí)。準(zhǔn)分子激光氣體使用短波長(zhǎng)使得側(cè)向的精度可達(dá)亞微米量級(jí)；然而，實(shí)現(xiàn)亞微米量級(jí)不僅依賴于激光性能。它還要求高重復(fù)率的運(yùn)動(dòng)控制，通常使用帶空氣軸承的平臺(tái)來(lái)移動(dòng)基底和鏡片，鏡片移動(dòng)需要考慮到足夠的焦深，同時(shí)，實(shí)際加工時(shí)需要足夠大的視場(chǎng)。準(zhǔn)分子激光氣體尤其適合大面積，集中且重復(fù)性強(qiáng)的圖案。例如，在多片模塊上打孔的過(guò)程。目前，在這方面的應(yīng)用中，固態(tài)或者CO2激光器與振鏡掃描相結(jié)合的技術(shù)占了主導(dǎo)地位。然而，當(dāng)生產(chǎn)量增大時(shí)，電子元件的結(jié)構(gòu)(包括微通道)會(huì)被縮小。在高密度元件數(shù)量增多，微通道尺寸卻減小的這個(gè)方面，準(zhǔn)分子激光圖像制作相比其他直接寫(xiě)入技術(shù)就更具有競(jìng)爭(zhēng)力。舉例來(lái)說(shuō)，利用光掩膜技術(shù)與底層的“步進(jìn)和重復(fù)”運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的過(guò)程，準(zhǔn)分子激光器每秒可以得到>10000個(gè)過(guò)孔。大規(guī)模的并行打孔能力 (如圖1) 還被用來(lái)生產(chǎn)過(guò)濾器，被用來(lái)在噴墨打印機(jī)中進(jìn)行微粒過(guò)濾，該特點(diǎn)還被用于生產(chǎn)新一代的醫(yī)學(xué)呼吸器，它目前正接受美國(guó)食品與藥物管理局(FDA)的評(píng)估。

    微型化的細(xì)胞培養(yǎng)工具(通常被稱為“芯片上的實(shí)驗(yàn)室”)，是利用248 nm的準(zhǔn)分子激光氣體在聚碳酸酯和其他塑料上制作而成的。這里，可以使用單束激光來(lái)得到微型坑和微通道，以及微米量級(jí)的通孔(如圖4)。然后使用金屬沉積技術(shù)來(lái)密閉這些通孔，從而起到密封和導(dǎo)電兩方面效果。 

    另一個(gè)快速發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域是薄膜直接制備圖形。在這個(gè)過(guò)程中，激光能量穿過(guò)薄膜，基底材料與薄膜的交界處被底部材料吸收。在交界面處，材料在短時(shí)間內(nèi)被蒸發(fā)，導(dǎo)致了該處薄膜被去除。這個(gè)準(zhǔn)分子“TFA”(薄膜燒蝕過(guò)程)在薄膜厚度小于1微米時(shí)結(jié)果最佳。在這些情況中，對(duì)薄膜進(jìn)行去除/制圖操作所需的能量小于蒸發(fā)同樣體積的相同材料所需的能量。實(shí)際的例子包括在絕緣基底上的金屬薄膜(厚度達(dá)1000 nm)，它被用于射頻識(shí)別電路(RFID)和醫(yī)療傳感器上。需要的話，金屬薄膜的厚度可以通過(guò)低成本的電鍍過(guò)程來(lái)增加。其他組合還包括在金屬上加工絕緣體，在陶瓷上加工聚合物，甚至在聚合物上加工聚合物。大部分的應(yīng)用是采用卷帶式（reel-to-reel）的操作方式，在這里每片薄膜由單個(gè)激光脈沖進(jìn)行加工。 

準(zhǔn)分子激光器的獨(dú)特性還在于它們可以加工表面和亞表面的材料；其中一個(gè)例子是高碳鋼零件的淬火過(guò)程。未經(jīng)退火時(shí)，這些鋼包含了鐵和碳的較大晶體。使用308 nm的準(zhǔn)分子激光器可以在微觀層面上，使表面的金屬層升到共熔區(qū)之上，讓原子可以自由在金屬內(nèi)遷移。對(duì)于碳素鋼來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程僅涉及碳和鐵。這里的硬化過(guò)程是將相同的主要元素留在表面，而核心材料仍然保持未淬火時(shí)的延展性。 

    對(duì)于其他高度可淬火性合金材料，比如鉻(或者其他金屬)可以移到表面，從而形成獨(dú)特的表面，比如該表面可能更堅(jiān)硬，更具有防化學(xué)品腐蝕能力，更為光滑。同時(shí)，整個(gè)零件本身不受影響，仍然保持這些鋼材特有的延展性。308 nm的準(zhǔn)分子激光被用于鑄鐵柴油機(jī)引擎的汽缸套以得到摩擦力很小的表面。這項(xiàng)Audi公司開(kāi)發(fā)的應(yīng)用在本刊2005年2月刊中有具體介紹。 

另一個(gè)表面加工的應(yīng)用是對(duì)CVD金剛石晶片進(jìn)行微加工和磨平操作，因?yàn)槠涠嗑У谋举|(zhì)導(dǎo)致了表面不平整。193 nm適用于加工高純度的金剛石。高精度微加工的實(shí)例包括了對(duì)磨損表面，線切割模，散熱片以及切割工具等進(jìn)行三維微加工。在線性化的過(guò)程中，193 nm或者248 nm的準(zhǔn)分子激光被整形成直線狀，然后被定位，以便在臨界角或者小于臨界角情況下對(duì)整個(gè)表面進(jìn)行作用。簡(jiǎn)單的光學(xué)理論表明，平整的表面會(huì)產(chǎn)生全反射，而不平整的表面點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致激光被材料所吸收。這樣得到的結(jié)果是平滑的表面，整個(gè)過(guò)程是個(gè)自中斷過(guò)程。 

    使用準(zhǔn)分子激光技術(shù)所進(jìn)行的工業(yè)加工任務(wù)各不相同，這就促使了準(zhǔn)分子激光氣體在準(zhǔn)分子激光技術(shù)產(chǎn)品具有更廣的輸出特性。本質(zhì)上，所有的應(yīng)用都要求具有高可靠性，激光壽命更長(zhǎng)，運(yùn)轉(zhuǎn)成本更低。在三方面主要應(yīng)用的促進(jìn)下，激光器制造商已經(jīng)取得了大量重要的技術(shù)進(jìn)步。新一代的準(zhǔn)分子激光器維護(hù)間隔時(shí)間更長(zhǎng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)能力更先進(jìn)，所需支的擁有成本也更低。廣州世源氣體等國(guó)內(nèi)氣體公司在準(zhǔn)分子激光氣體的國(guó)產(chǎn)化，讓準(zhǔn)分子激光技術(shù)在中國(guó)的鉆激光打標(biāo)、材料表面處理、高碳鋼的淬火、三維加工等制造業(yè)微加工的應(yīng)用更加廣泛。