准分子激光器推进技术革新
作为当今最有效、最可靠的脉冲紫外激光技术的代表，准分子激光器有效地推进了诸如平板显示、汽车制造、生物医学设备及可替代能源等多种成长型工业中的技术革新。
波长和输出功率，这两个基本属性的结合，决定了准分子激光器在上述这些高科技产业中的独特价值。因为，这些工业领域比以往任何时候更需要平衡日益增长的性能需求与加工速度及制造成本之间的矛盾。

紫外表面处理
准分子激光是一种窄带宽的紫外光源，可以为基于商用激光的制造业提供最短的波长或（相当于）最高的激光光子能量。由于在激光材料加工领域可以达到的光学分辨率与激光波长有关，因此短波长的准分子激光成为市场上最为精确的光学加工工具。利用基于商用准分子激光的材料加工系统，如图1所示，可以获得接近1祄的特征尺寸[1]（具体数值取决于波长和材料）。


 

图1. 对坚硬的固体材料层使用248nm准分子激光掩膜成像形成的大面积薄膜图样。整个高分辨率图样的获得仅利用了单个准分子激光脉冲。

而且，短波长代表着最小的横向结构，同时，材料对高光子能量（例如，248nm时为5eV或 193nm时为6.4eV）的强烈吸收，又将意味着激光对材料纵向的影响非常有限。实际上，准分子激光在薄膜材料加工中的深度分辨率在亚微米范围，通常每脉冲可以小至50nm（具体数值取决于样本材料和激光波长）。


 

图2. 钻石经193nm准分子激光烧蚀形成的凹坑：左图为10个激光脉冲情况，右图为600个激光脉冲情况。凹坑的平整度表明了准分子激光光束在整个照明区域具有极高的均匀性。

准分子激光在样本材料的横向及纵向均可以提供无可匹敌的高分辨率光学加工能力。在通过改变微结构来增进大表面功能的领域，准分子激光已成为最为理想的工具。
除此之外，准分子激光是目前基于商用激光的制造业中，可利用的最强紫外激光。

紫外技术比较
现在，准分子激光在308nm的输出功率已经超过500W，如图3所示。图中对基于准分子激光技术、二极管泵浦及闪光灯泵浦的全固态激光技术所能取得的功率水平进行了对比。目前先进水平的准分子激光器可以输出高达1J的脉冲能量，同时重复频率可高达600Hz。由于极高的脉冲能量，可使处于每平方厘米高达1J的能量密度下、面积宽达30mm2的样品，通过逐个准分子激光脉冲的刻蚀，实现样品的微细构造。这种微细构造的实现过程，如果转化到更大的尺度上，可以比喻为用一片片青草去构造足球场。


 

图3. 各种高功率准分子激光器的输出功率水平与基于全固态的355nm激光技术比较，图中给出了308nm和248nm波长的准分子激光情况。

同时高功率准分子激光器可以在高达600Hz的重复频率下运转，使得每秒处理几十平方厘米的表面加工速度成为可能。
准分子激光器具有可扩展至数百瓦的较高的单脉冲能量，这意味着可以处理更大的区域尺寸，同时每秒钟可提供数百个脉冲，这必将在制造业中引发规模效应，以前所未有的方式增进盈利。
只有当紫外激光的波长和高输出功率这两个必要条件同时具备，正如准分子激光器那样，才能满足工业界对于微尺度构造及快速大面积表面处理（每秒速度达几十平方厘米）的迫切需求。
事实上，基于表面微结构处理的准分子激光器常常是基本的制造步骤，在下文介绍应用实例时会作进一步阐述。

紫外光的直接产生是关键
准分子激光技术的激光跃迁发生在紫外光谱范围，正是这个原因，使得准分子激光技术能够凌驾于其他紫外技术之上。准分子激光是在内在机理上直接产生紫外光子，这使其成为市场上最强和最稳定的紫外激光光源。


 

表1：各种紫外技术的性能参数比较（准分子激光 vs. 基于频率变换的Nd:YAG激光）

与此相反，并行的紫外产生概念基于红外（IR）及可见光，需要采用非线性频率转换技术，这将不可避免地使紫外输出效率及输出稳定性大打折扣，严重影响激光器的实际输出性能[2]。
表1概括比较了准分子激光器技术和红外上转换激光器技术的典型紫外性能参数。
只有准分子激光器可以直接发射紫外波长，并且没有任何其他的技术折中，这使其在微米级高精度加工、高生产能力的批处理及大规模制造中成为最卓越的解决方案。

经紫外准分子处理后获得更好的表面特性
以下给出的多个应用实例，将最大限度地呈现准分子激光器在当今先进制造领域中的创新潜力。在下述这些制造实例中，均包含生产中起关键作用的准分子激光器，以实现性能上的飞跃。


 

图4. 经准分子激光处理的Diesel 引擎汽缸视图（Audi AG）。

增强Diesel马达的性能
Diesel引擎是世界上运输部门领域最重要的汽油、柴油燃料使用者之一。Diesel引擎对于公共交通、货运（通过公路、铁路及海洋等）及农业机械至关重要。并且，大约40%的欧洲汽车市场是基于Diesel引擎的。
市场对于更高功率及效率的需求，加之严格的环境立法对节省燃料以及减小环境污染的苛刻要求，不断迫使引擎制造商寻求制造方案上的革新。
因为Diesel引擎技术使用高的压缩比，考虑到润滑及耐磨的要求，活塞在铸铁汽缸套（如图4所示）中来回移动时的摩擦条件是非常重要的。

传统的汽缸壁处理
如图5所示，在传统汽缸套的内壁上呈现出许多微通道交错的形貌，这是由于机械抛光（即所谓的搪磨处理）导致的。由于这些微通道的存在，当活塞在汽缸内移动时，缸内的润滑油将顺着这些微通道流出缸外，这将严重削弱活塞环和汽缸壁的润滑效果。并且，事实上，活塞环和汽缸套壁之间的摩擦损耗占据Diesel引擎所有损耗的比例多达60%。


 

图5.传统铸铁汽缸套表面的微结构图（Audi AG）。从图中可以清晰地看到由于机械搪磨加工引起的呈十字交叉状的微通道结构。

图6. 经过准分子激光处理后的汽缸套表面的微结构图。更为平滑和坚硬的表面意味着更少的摩擦和磨损。释放出石墨包含物的凹槽可以充当储油容器（Audi AG）。 #p#分页标题#e#