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紫外二极管泵浦固体激光器的更多进展

来源: 发表时间:2008/7/23 浏览次数:
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    窄脉宽、短波长紫外二极管泵浦固体激光器（DPSS）的最新进展促进了工业生产系统的发展。过去，DPSS激光器比较适用于科研而不适于工业生产。随着DPSS激光器的进展，现已开辟出很多可能的应用，包括红外、脉冲连续波以及Q开关产生具有多脉冲宽度的脉冲光波。与其他种类的激光器相比，DPSS激光器在调控脉冲形状、重复频率和光束质量等方面具有较大的灵活性，其生成的谐波允许用户获得适于多种材料加工的较短波长的光束。

    激光器的选择不仅与应用有关，而且与激光束的特性直接相关。例如，用于大面积图形加工的准分子激光器能发出具有较低脉冲重复频率（一般低于1kHz）的较粗光束。准分子能产生具有中等脉冲重复频率的高脉冲能量的激光束。目前所使用的基于Nd∶YVO4的DPSS激光器能产生大约1?滋m波长的红外光束，利用谐波振荡器进行二倍频（输出绿光）、三倍频（输出近紫外光）或者四倍频（输出深紫外光）。

    1 光子的成本费用

    利用紫外DPSS激光器产生光子的成本费用要高于用准分子激光器产生光子的费用，但相比之下，紫外DPSS激光器具有加工处理速度快、灵活性大、光束利用效率高和生产率高等优点。在许多应用中，如芯片划割或打细孔等，这些优点足以弥补差额费用；而准分子激光器在退火中的泛光束曝光和用近场掩模成像的大面积图形加工处理（在这里掩模具有匀化光束的作用）中仍占优势。

    一个100W的准分子激光器能输出大约60W的有效运转功率。100W激光器的平均售价大约为14万美元，每瓦的输出功率成本费用约为2300美元。相比之下，一个输出功率为2W的266nm的DPSS激光器系统的价格为13万美元，每瓦的成本实际上为65000美元。因此，准分子激光器产生光子的成本费用远低于紫外光子的成本费用。若用光子泛光照射以去除芯片上的大量材料，准分子激光器系统的性价比无疑是最合适的；但若是把同样的芯片切割成小块，用紫外光子则能使加工成本降低3倍，因为利用紫外光子能把切割线宽从准分子激光束的15?滋m缩小至5?滋m。

    如果准分子激光器不使用昂贵的光学系统，则不能聚焦成5?滋m小的光斑，而DPSS激光器使用较便宜的光学系统就能聚焦成5?滋m的光斑。实际上，2W的DPSS激光器相当于6W的准分子激光器。如果6W准分子激光器是60W激光器系统使用其10%的时间来获得的，那么在这种应用中，DPSS激光器具有较高的性价比。

    在20世纪90年代中期，人们开始用准分子激光器切割蓝光发光二极管的芯片和宇宙飞船组件上的蓝宝石芯片。1998~1999年，利用准分子激光器系统中25%的激光束每小时能生产3个芯片，使用复杂的光学系统对光束进行几何分光、最优化，然后将光束重新聚焦到芯片上。

    JPSA激光公司现已成功研制出一种性能可靠的266nm短脉冲DPSS激光器，通常使用355nm和266nm这两种波长。采用这种激光器可提高芯片的加工产量，每小时能加工8~10块芯片。

    当为某一种应用优化设计DPSS激光器时，一个可以聚焦得相当好的光束允许用户把很多光能集中到一个很小的光斑内。这种优化设计的激光器可进行多种加工任务，例如机械加工凹槽和比较深的孔。与难以聚焦成小光斑的较低亮度的激光束相比，DPSS激光器只须较少的光功率。

    在芯片刻划或硬质材料刻划及切割中，DPSS激光器能在一个很小的面积内有效地穿透材料，一般利用成像物镜把光束聚焦成一点，用焦点处的光斑进行加工，而准分子激光器是利用成像物镜把光束成像为一个图案。实际上，用户是用DPSS激光器的光斑直写图形，因而具有较大的灵活性，例如控制光斑移动写入图形的轮廓形状及画圆形拐角等；而用准分子激光器进行加工时，光束聚焦呈一线状光束，在一个方向上进行刻划，故刻划出的图形灵活性较差。

    2 优先选用较短脉冲

    利用DPSS激光器可加工陶瓷、蓝宝石、所有Ⅱ~Ⅵ族材料、氮化镓、砷化镓、磷化铟、磷化镓和聚合物等材料。在加工时应避免使零件受热，因为在高重复频率情况下，辐射到零件表面的功率密度很高，故导致温度快速升高。目前已有几种技术能够在快速加工的同时保持热不侵入到被加工的零件。

    功率密度和能量密度在加工中非常重要。功率密度的基本物理意义是：每秒钟到达零件表面上的脉冲数量；而能量密度是光束聚焦密度的函数。即使采用紫外激光器，加工热过载现象仍会发生。短脉冲DPSS激光器在材料加工处理中产生热影响区较小，同时具有灵活的加工控制。脉冲数决定切割深度，短脉冲激光的高亮度（能量密度）为快速加工处理提供很多优越性。

    短脉冲紫外DPSS激光器利用多光子吸收过程进行加工。如果能在较短时间周期内产生更多的光子，其能量便会增加并同时去除加工材料。使用的激光器为5~15ns，而大多数商品DPSS激光器在20~100ns范围内。科学家们目前正研究皮秒和飞秒脉冲激光器系统。

    DPSS激光器技术和加工能力的最新进展及其在鲁棒性和可靠性方面的提高使其在工业加工领域得到了广泛应用。然而，目前几乎所有灯泵浦固体激光器都存在改变重复频率和晶体材料变热的问题，这说明光束质量是动态变化的。较新型的固体激光器采用激光二极管的单色光束泵浦，因而散发到激光棒里的热量比较少，用户能得到一个更好的聚焦光束。这些新型激光器有很高的可靠性，使用寿命在7500~10000h以上。与准分子激光器相比，这些激光器具有非常高的可靠性，这一点尤为重要。准分子激光器需要较多的维修服务，每运行100h后，需清洁光学系统和更换气体等。

    当购买工业等级的266nmDPSS激光器时，要对其进行全面测试，使所要购进的激光器能满足您所期望的要求。激光器必须安放在工业环境使用的坚固封装机壳内，这样易于集成、使用寿命长、维护保养简单和加工精度高等，且不需要更换灯、清洁晶体、更换光学系统和窗口零件或者更换气体等。

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