Введение
С быстрым развитием технологий возникла потребность в более легком, более эффективном, компактном, многофункциональном и высококачественном лазерном оборудовании для электроники, медицинской терапии, биологии и материалов. В настоящее время распространены лазеры в инфракрасном и видимом диапазоне длин волн. Традиционные лазерные инструменты, процессы и технологии имеют низкую эффективность, сложную работу, высокую стоимость, ограниченный радиус действия, большие потери и низкую точность. УФ-лазеры неоднократно исследовались учеными в последние десятилетия из-за их относительно высокой когерентности, удобства, стабильности и надежности, низкой стоимости, возможности настройки, небольшого размера, высокой эффективности, точности и практичности.
2. УФ лазеры
УФ-лазеры в основном делятся на газовые УФ-лазеры и твердотельные УФ-лазеры. Рабочая среда переходит в возбужденное состояние за счет поглощения внешней энергии под действием источника накачки, и после того, как выигрыш от инверсии числа частиц больше, чем потери, свет усиливается, а часть усиленного света возвращается для продолжения возбуждения, таким образом генерирование колебаний в резонаторе для создания лазера. Газовые среды в основном используются в импульсных или электронно-лучевых разрядах, где столкновения между электронами возбуждают частицы газа с низких энергетических уровней на высокие энергетические уровни, вызывая скачки возбуждения для получения УФ-лазеров. Твердая среда представляет собой кристалл с нелинейным удвоением частоты, который производит излучающий наружу УФ-лазерный свет после одного или нескольких частотных переходов. Эксимерные и полностью твердотельные УФ-лазеры обычно используются для лазерной обработки и обработки.
2.1. Эксимерные лазеры
Основными газовыми УФ-лазерами являются эксимерные лазеры, аргон-ионные лазеры, азотно-молекулярные лазеры, фтор-молекулярные лазеры, гелий-кадмиевые лазеры и т. д. Эксимерные лазеры и т. д. обычно используются для лазерной обработки. Эксимерные лазеры представляют собой газовые лазеры с эксимерным рабочим веществом. Они также являются импульсными лазерами и представляют большой исследовательский интерес с тех пор, как в 1971 году был создан первый эксимерный лазер. Эксимер представляет собой нестабильную составную молекулу, которая при определенных обстоятельствах распадается на атомы. Частота повторения и средняя мощность являются основой для оценки эксимерных лазеров. Некоторая доля инертных газов, таких как Ar, Kr и Xe, смешанная с галогенными элементами, такими как F, Cl и Br, является основным рабочим веществом газовых УФ-лазеров, накачка которых осуществляется электронными пучками или импульсными разрядами. Когда атомы благородных и инертных газов в основном состоянии возбуждаются, электроны вне ядра, таким образом, возбуждаются на более высокие орбитали, так что самый внешний электронный слой заполняется и объединяется с другими атомами с образованием квазимолекул, которые затем перескакивают обратно на более высокие орбитали. основном состоянии и распадаются на исходные атомы. Жидкий ксенон был рабочим веществом для первых эксимерных лазеров. Современные эксимерные лазеры также включают ArF-лазер с длиной волны 193 нм, KrF-лазер с длиной волны 248 нм и XeCl-лазер с длиной волны 308 нм.
2.2. Твердотельные УФ-лазеры
Выдающимися преимуществами полностью твердотельных УФ-лазеров являются их удобный малый размер, высокая надежность и стабильность работы. Наиболее часто используется обычный кристалл Nd:YAG для накачки LD, частота которого затем удваивается.
Основными этапами создания твердотельного УФ-лазера являются, во-первых, накачка источника света в лазере на среду усилителя для достижения инверсии числа частиц, формирование и генерация основного красного света в резонаторе, затем удвоение частоты в резонаторе одним или несколькими нелинейными кристаллами и, наконец, вывод желаемого УФ-лазера из резонатора после прохождения и отражения. УФ твердотельные лазеры обычно получают с использованием диодной и ламповой накачки LD. Полностью твердотельные УФ-лазеры представляют собой твердотельные УФ-лазеры с LD-накачкой.
Nd:YAG (алюмоиттриевый гранат, легированный неодимом) и Nd:YVO4 (ванадат иттрия, легированный неодимом) являются двумя наиболее распространенными типами кристаллов армированной среды. Распространенным методом усиления резонаторов является использование небольшого полупроводникового лазерного диода LD, накачиваемого лазерным кристаллом Nd:YVO4 с длиной волны 808 нм для получения ближнего инфракрасного света с длиной волны 1064 нм. По сравнению с Nd:YAG лазерный кристалл Nd:YVO4 имеет большее поперечное сечение усиления, в четыре раза больше, чем у Nd:YAG, больший коэффициент поглощения, в пять раз больше, чем у Nd:YAG, и более низкий лазерный порог. По сравнению с Nd:YAG лазерный кристалл Nd:YVO4 имеет большее поперечное сечение усиления, в четыре раза больше, чем у Nd:YAG, больший коэффициент поглощения, в пять раз больше, чем у Nd:YAG, и более низкий лазерный порог. Кристаллы Nd:YAG обладают высокой механической прочностью, высоким светопропусканием, длительным сроком службы флуоресценции и не требуют жестких систем отвода тепла и охлаждения.
3. Применение УФ-лазеров
УФ-лазерная обработка имеет много преимуществ и в настоящее время является предпочтительной технологией при разработке технологической информации. Во-первых, УФ-лазер может излучать ультракороткие волны лазерного излучения, что позволяет точно обрабатывать сверхмалые и тонкие материалы; во-вторых, «холодная обработка» УФ-лазером не разрушает сам материал в целом, а только обрабатывает его поверхность; кроме того, практически отсутствует эффект термического повреждения. Некоторые материалы неэффективно поглощают видимые и инфракрасные лазеры, что делает их невозможными для обработки. Самым большим преимуществом УФ-излучения является то, что практически все материалы поглощают УФ-излучение более широко. УФ-лазеры, особенно твердотельные УФ-лазеры, компактны и малы, просты в обслуживании и легко производятся в больших количествах. УФ-лазеры используются в широком спектре приложений при обработке медицинских биоматериалов, криминалистике в уголовных делах, интегральных схем, полупроводниковой промышленности, микрооптических компонентах, хирургии, связи и радарах, а также лазерной обработке и резке.
3.1. Модификация свойств поверхности биологических материалов
При некоторых видах лечения многие медицинские материалы должны быть совместимы с тканями человека или даже восстанавливаться, например, при лечении внутриглазных заболеваний ультрафиолетовым лазером и экспериментах с роговицей кролика, которые иногда требуют изменения свойств биологических белков и биомолекулярных структур. После настройки оптимальных параметров импульса эксимерного УФ-лазера экспериментаторы затем облучали поверхность медицинских биоматериалов лазерами с длиной волны 100 нм, 120 нм и 200 нм соответственно, тем самым улучшая физико-химическую структуру поверхности материала и не изменяя общей химической структуры. материала и сделать обработанные органические биоматериалы значительно более совместимыми и гидрофильными с тканями человека посредством сравнительных экспериментов с культивируемыми биологическими клетками, что очень помогает в медико-биологических применениях.
3.2. В сфере уголовного розыска
В области уголовного расследования отпечатки пальцев использовались в качестве важных биологических доказательств, оставленных на месте преступления подозреваемыми по уголовным делам, поскольку было обнаружено, что отпечатки пальцев так же уникальны, как и ДНК. Когда-то старые методы могли привести к порче образцов и затруднить сбор и хранение экспонатов. Текущие исследования дали выдающиеся результаты для непроникающих отпечатков пальцев на поверхности объектов, таких как лента, фотографии, стекло и т. Д. УФ-люминесцентная визуализация» и «УФ-лазерная отражательная визуализация» используются для наблюдения и регистрации обнаружения и сбора отпечатков пальцев с помощью УФ-лазерного облучения потенциальных отпечатков пальцев через полосовые фильтры на длине волны 266 нм и 340 нм соответственно. Семьдесят процентов из 120 образцов испытанные в эксперименте, были успешно обнаружены.Коротковолновая УФ-методика повышает вероятность успешного обнаружения потенциальных отпечатков пальцев, а простота и скорость, с которой можно контролировать оптические свойства, делает ее перспективной для использования в судебной науке.Пятна слюны на месте, эксфолиированные клетки, пятна крови, волосы с волосяными фолликулами и другие обычные биологические образцы могут быть обнаружены с помощью УФ-детектирования.Однако, когда коротковолновый УФ-лазер 266 нм использовался для облучения биологических образцов на фиксированном расстоянии и с разной продолжительностью, а затем для извлечения ДНК, было обнаружено, что коротковолновый УФ-лазер с длиной волны 266 нм оказал серьезное влияние на результаты ДНК пяти распространенных типов биологических доказательств: отпечатков пальцев, b пятна слюны, отслоившиеся клетки и волосы с волосяными фолликулами, но лишь в меньшей степени при обнаружении биологического ДАН для волос, включая волосяные фолликулы, пятна слюны и крови. Коротковолновые УФ-лазеры могут воздействовать на некоторые биоматериалы ДНК, поэтому метод экстракции следует тщательно выбирать с учетом его доказательной ценности во время судебно-медицинских исследований.
3.3. Применение УФ-лазера на интегральных схемах
Производство широкого спектра печатных плат в промышленности, от начальной проводки до производства крошечных прецизионных встроенных микросхем, требующих передовых процессов, гибких схем на интегральных печатных платах, ламинированных схем из полимеров и меди, требует сверления и резки микроотверстий, а также ремонт и проверка материалов на платах, часто требующих применения микрообработки и обработки. Технология лазерной микрообработки, несомненно, является лучшим выбором для обработки печатных плат. Лазер не вступает в контакт с обрабатываемым продуктом во время процесса, эффективно избегая механических воздействий, что приводит к быстрой обработке, высокой гибкости и отсутствию особых требований к рабочему месту, которые могут достигать субмикронных величин благодаря точной настройке лазера. параметры и дизайн исследования. Более традиционными методами сверления, используемыми на печатных платах, являются использование УФ-лазеров и CO2-лазеров для маркировки неметаллических материалов (CO2-лазеры с длиной волны 10,6 мкм используются для маркировки неметаллических материалов; длина волны 1064 нм или 532 нм обычно используется для маркировки металлических материалов). В настоящее время в основном по-прежнему используется технология УФ-лазерной обработки, которая может обеспечить обработку на микронном уровне, высокую точность, может производить сверхтонкие микро-нулевые устройства, может применяться к пятну лазерного луча с микроотверстием менее 1 мкм. обработка. Однако CO2-лазеры в основном используются для отверстий диаметром от 75 до 150 мм и подвержены смещению в небольших отверстиях, тогда как УФ-лазеры могут использоваться для отверстий диаметром до 25 мм с высокой точностью и без смещения. Например, при «холодной» обработке плакированных медью печатных плат фемтосекундными УФ-лазерами метод комплексной балансировки используется для получения оптимальных параметров процесса, а затем используются свойства селективного травления для достижения высокого качества, высокой эффективности. микролинейное травление омедненных поверхностей с шириной линии 50 мкм и шагом линии 20 мкм.
3.4 Обработка и подготовка микрооптических компонентов
В век информационных технологий и быстрого развития современной промышленности необходимость создания большего количества экспериментальных систем на меньшем пространстве и достижения большего количества функций требует ускоренного развития информационных технологий и, что более важно, производства меньших, миниатюрных и полностью функциональные устройства, которые обрабатывают только химические связи на поверхности материала. Он имеет важные приложения и исследовательскую ценность в области военной радиолокационной связи, медицинской терапии, аэрокосмической и биохимии. Возможны более глубокая резка и оптимизация, а также исследования и разработка приложений для микрооптических компонентов в наномасштабе, преобразующих функции и свойства традиционных оптических компонентов. Преимущество микрооптики заключается в том, что ее легко производить в массовом порядке, легко размещать, она маленькая, легкая и гибкая, но основным материалом является кварцевое стекло. Кварцевое стекло склонно к растрескиванию и образованию кратеров при нанесении и обращении, является твердым и хрупким материалом, что значительно снижает его оптические свойства. В результате технология прямой записи «холодной» обработки УФ-лазером значительно повысила эффективность микрооптических устройств, позволив быстро обрабатывать микрооптические компоненты с высокой точностью и тонкой структурой, не повреждая материал, и позволяя гибко обрабатывать большие и малые партии с различными требованиями. В то время как зарубежные исследовательские институты изучали УФ-УФ-обработку кремниевых пластин раньше, отечественные исследования технологии резки кремниевых пластин и фасок проводились только после относительно позднего начала. Оптимизированная резка трех кремниевых пластин из одного и того же материала (0,18 мм, 0,38 мм и 0,6 мм) с минимальной апертурой 45 мкм и точностью обработки 20 мкм, что свидетельствует об отсутствии трещин в материале, меньшем тепловом воздействии лазера и меньшем разбрызгивании.
3.4. Применение УФ-лазера в полупроводниковой промышленности
В последние годы все большее внимание уделяется микрообработке полупроводниковых материалов с помощью УФ-лазеров. Тысячи компонентов плотной схемы очень распространены в интегральных схемах, поэтому требуются некоторые высокоточные методы обработки и обработки, а также некоторые высокоточные инструменты и устройства, такие как кремниевые и сапфировые полупроводниковые материалы и другие тонкие полупроводниковые пленки прецизионной микрообработки. УФ-лазер и изучение спектральных свойств пленки, в то время как УФ-лазер может также увеличить использование световой энергии кремниевых материалов, а также внести изменения в микроструктуру поверхности кремния, что способствует разработке солнечных панелей, таких как двухслойные. размерная микрорешетка и др.
4. заключительные замечания
За десятилетия разработок и исследований технология и применение УФ-лазеров становятся все более и более распространенными и зрелыми, а их наиболее характерная технология тонкой «холодной» обработки заключается в микрообработке и обработке поверхностей без изменения физических свойств объекта. широко используется в различных отраслях и областях, таких как связь, оптика, вооруженные силы, уголовное расследование и лечение. Например, эпоха 5G создает спрос на обработку FPC. С дальнейшим развитием индустрии 5G и стремлением крупных производителей электроники к гибким OLED-дисплеям спрос на гибкие печатные платы FPC быстро растет, а вместе с ним и спрос на УФ-лазеры. Мы надеемся, что эта тенденция приведет к быстрому развитию самой УФ-технологии для достижения больших прорывов в мощности и длительности импульса, а также к новым областям применения. Применение УФ-лазерных станков сделало возможной прецизионную холодную обработку таких материалов, как FPC, в то время как постепенное увеличение FPC привело к развертыванию 5G, характеристики которого с малой задержкой открывают неограниченные возможности для новых волн технологического развития, таких как облачные технологии, Интернет вещей, беспилотность и виртуальная реальность. Это, конечно, дополнительная концепция, и новые технологии и приложения в конечном итоге будут способствовать дальнейшему развитию УФ-лазеров.
По мере появления все большего количества новых кристаллов с удвоением частоты и усиливающих сред, чем короче длина волны, тем выше мощность УФ-лазера, который будет использоваться в будущем в большем количестве отраслей для содействия развитию всех сфер жизни, УФ-лазеры в области обработки более интеллектуальный, эффективный и точный, высокая частота повторения, высокая стабильность - это тенденция будущего развития.
