近年來，對(duì)于超精密加工的進(jìn)一步小型化和提高質(zhì)量的要求正在不斷增長(zhǎng)。作為滿足這種需求的一種手段，利用短脈沖、短波長(zhǎng)激光器的加工方法已經(jīng)引起了關(guān)注。使用皮秒脈沖激光器，能夠?qū)崿F(xiàn)不產(chǎn)生熱效應(yīng)的冷燒蝕，從而獲得質(zhì)量?jī)?yōu)異的高精度加工。此外，使用短波長(zhǎng)激光器可以使激光束的光斑聚焦直徑更小，從而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的微加工。
目前，用于微加工的常見短脈沖激光器主要有綠色激光器（532nm），其次是紫外激光器（355nm）。另一方面，266nm的深紫外激光器由于其處理困難而沒有被廣泛使用。
三菱重工工作機(jī)械株式會(huì)社開發(fā)了一款采用深紫外激光器的螺旋鉆機(jī)系統(tǒng)。 隨后，公司進(jìn)行了鉆孔試驗(yàn)，在試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了直徑為10μm，縱橫比為10的鉆孔。此外，由于深紫外激光器的高光子能量使得在工件材料上可以完成高質(zhì)量的鉆孔。這對(duì)基于化學(xué)作用的精密加工和制造來說是極其有難度的。這有賴于其高硬度和化學(xué)穩(wěn)定性。
深紫外激光聚焦系統(tǒng)
在激光微細(xì)加工中，將激光束聚焦并輻照在目標(biāo)工件的表面上，并且通過光子能量去除工件被輻照的部分。當(dāng)聚焦激光光斑直徑較小時(shí)，通過激光輻照去除的面積也隨之變小，微細(xì)加工質(zhì)量得以提高。有多種方法可以實(shí)現(xiàn)較小的聚焦激光光斑直徑，例如利用短波長(zhǎng)激光器，在聚焦之前擴(kuò)大光束直徑并縮短焦距。
然而，當(dāng)激光的波長(zhǎng)處于紫外波段范圍時(shí)，激光器通過玻璃材料的吸光度會(huì)增加。 因此，需要減輕諸如透鏡之類的光學(xué)元件材料的應(yīng)力。在其他方法中，會(huì)聚角很大，這可能導(dǎo)致其入口和出口之間的孔的尺寸產(chǎn)生間隙并減小焦深，從而限制由鉆孔加工產(chǎn)生的孔的形狀。
圖1. 每種材料的制造深度與深紫外和綠色激光的能量強(qiáng)度的關(guān)系。其中縱軸和橫軸采用歸一化值。所有圖表均采用統(tǒng)一比例。
深紫外激光器采用了新開發(fā)的光學(xué)激光聚焦系統(tǒng)。通過預(yù)先測(cè)試用于光學(xué)元件的玻璃對(duì)于深紫外激光光束的耐久性，同時(shí)選擇最佳的玻璃材料并設(shè)定適當(dāng)?shù)募す廨椪諒?qiáng)度，可以確保透鏡的耐久性。此外，通過優(yōu)化焦距和透鏡形狀，使得會(huì)聚角最小化并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)焦深，而聚焦的激光光斑直徑保持在非常小的范圍內(nèi)。
實(shí)驗(yàn)燒蝕率
需要獲得深紫外線激光束和綠色激光束（515nm）對(duì)于不同材料的燒蝕率，以比較和評(píng)估它們的特性（圖1）。 鑒于此，制備單晶碳化硅（SiC）晶元、硼硅酸鹽玻璃和不銹鋼作為工件材料。 這些材料被聚焦的深紫外或綠色激光束僅輻照單個(gè)脈沖（圖2）。
圖2. 單一碳化硅SiC 晶元（a），硼硅酸鹽玻璃（b 和c）和不銹鋼（d）分別用聚焦的深紫外或綠色激光束輻照僅單個(gè)脈沖（圖2）。
隨后，測(cè)量由輻照產(chǎn)生的孔的最大深度。通過用不同程度的脈沖能量進(jìn)行輻照和測(cè)量，獲得每種材料的燒蝕率。 圖1圖表中的縱軸表示加工深度，橫軸表示輻照激光束的中央位置的能量強(qiáng)度。
當(dāng)對(duì)深紫外激光束和綠色激光束之間的燒蝕率進(jìn)行比較時(shí)，深紫外激光束的燒蝕率在每一種材料的使用中都比綠色激光束更高。對(duì)于大帶隙的碳化硅材料，深紫外激光束同樣也提供了更高的燒蝕率。一般情況下，當(dāng)通過短脈沖激光器誘導(dǎo)燒蝕時(shí)，激光束的光子能量必須高于工件材料的帶隙。
圖3. 鉆孔和微切槽的實(shí)例包括直孔（a），錐形孔（b），倒錐形孔（c）和垂直入孔（d）。
由于光子能量與激光波長(zhǎng)成反比，深紫外激光束的光子能量約為綠色激光器的2倍，并高于碳化硅SiC材料的帶隙。 因此，碳化硅SiC材料的燒蝕現(xiàn)象可以完全被深紫外激光束引導(dǎo)。通過使用深紫外線激光器，還可以獲得硼硅酸鹽玻璃的高燒蝕率。因此，可以假定深紫外激光束的光子能量大大有助于這種高燒蝕率。
上述結(jié)果證實(shí)了深紫外激光器相對(duì)于綠色激光束的優(yōu)越性，并且還可以估算最佳的脈沖數(shù)，來獲得針對(duì)每種材料所需的制造深度，從而獲得更高的鉆孔質(zhì)量和優(yōu)化的鉆孔速率。
螺旋鉆孔特征
廣泛用于微鉆孔的沖擊鉆孔，其方法是將脈沖激光束固定，不允許其移動(dòng)或是旋轉(zhuǎn)，并通過輻照來完成鉆孔。由于激光光斑輪廓直接在工件上轉(zhuǎn)印，因此難以達(dá)到高精度的鉆孔加工效果。
作為交替方式，螺旋鉆孔法已被用于上文描述的鉆孔試驗(yàn)中。在高速并且高精度地旋轉(zhuǎn)激光束路徑的同時(shí)進(jìn)行螺旋鉆孔，能夠得到高圓度和高質(zhì)量的鉆孔效果。 此外，公司開發(fā)的光學(xué)加工頭能夠控制激光束的入射角以及旋轉(zhuǎn)直徑，從而可以實(shí)現(xiàn)任何孔徑和橫截面形狀。
微加工實(shí)例
使用從上述單次脈沖輻照試驗(yàn)獲得的鉆孔特性，能夠確定激光輻照條件，并且在不銹鋼（SUS304，厚度：0.2mm）和單晶碳化硅SiC晶元（厚度：0.1mm）上進(jìn)行鉆孔。與此同時(shí)，在硼硅酸鹽玻璃（厚度：0.7mm）上進(jìn)行微切槽。
圖3顯示的是鉆孔和微切槽的樣品。兩個(gè)孔的圓度都極為優(yōu)良，表明是通過采用螺旋鉆孔方式實(shí)現(xiàn)了高精度的鉆孔。此外，孔和槽的內(nèi)表面光滑且沒有產(chǎn)生重熔物質(zhì)，這證明不僅在不銹鋼上而且在碳化硅SiC晶片和硼硅酸鹽玻璃上都實(shí)現(xiàn)了熱效應(yīng)顯著降低的燒蝕。
通過使用深紫外激光束和優(yōu)化的光學(xué)系統(tǒng)并精確控制光束軌跡，能夠?qū)崿F(xiàn)10μm直徑的高品質(zhì)鉆孔，其長(zhǎng)寬比為10和10μm寬，并實(shí)現(xiàn)了深度微切槽。這用傳統(tǒng)的方式是很難達(dá)成的。
展望
為了滿足更精細(xì)的激光微細(xì)加工的需要，公司開發(fā)了使用短脈沖深紫外激光器的光學(xué)系統(tǒng)，并用它識(shí)別出各種不同材料的鉆孔特性。另外，使用深紫外激光器和螺旋鉆孔法進(jìn)行了微細(xì)加工試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了直徑最小為10μm，縱橫比最大為10的超精細(xì)鉆孔。
圖4. ABLASER- 深紫外線激光微細(xì)加工系統(tǒng)采用短脈沖深紫外線激光器。
該激光光學(xué)系統(tǒng)安裝在ABLASER——深紫外激光微細(xì)加工系統(tǒng)中（圖4）。公司計(jì)劃繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，以便提供可以滿足各種工業(yè)領(lǐng)域，更高質(zhì)量的微細(xì)加工需求的最佳解決方案。
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