Uvod
S hitrim razvojem tehnologije se pojavlja potreba po lažji, učinkovitejši, manjši, večnamenski in visokokakovostni laserski opremi za elektroniko, medicinsko terapijo, biologijo in materiale. Trenutno so običajni laserji na voljo v infrardečih in vidnih valovnih dolžinah. Tradicionalna laserska orodja, procesi in tehnologije trpijo zaradi nizke učinkovitosti, zapletenega delovanja, visokih stroškov, omejenega dosega, velikih izgub in nizke natančnosti. Znanstveniki so v zadnjih desetletjih večkrat raziskovali UV-laserje zaradi njihove relativno visoke koherence, priročnosti, stabilnosti in zanesljivosti, nizkih stroškov, nastavljivosti, majhnosti, visoke učinkovitosti, natančnosti in praktičnosti.
2. UV laserji
UV laserje v glavnem delimo na plinske UV laserje in trdne UV polprevodniške laserje. Delovni medij doseže vzbujeno stanje tako, da absorbira zunanjo energijo pod delovanjem vira črpalke, in ko je pridobitev inverzije števila delcev večja od izgube, se svetloba ojača in del ojačane svetlobe se vrne nazaj, da se tako nadaljuje vzbujanje. ustvarjanje nihanja v resonančni votlini za proizvodnjo laserja. Plinski mediji se večinoma uporabljajo pri impulznih razelektritvah ali razelektritvah elektronskega snopa, kjer trki med elektroni vzbujajo delce plina z nizkih energijskih ravni na visoke energijske ravni, da nastanejo vzbujeni skoki za pridobitev UV-laserjev. Trden medij je nelinearni kristal za podvajanje frekvence, ki po enem ali več frekvenčnih prehodih proizvaja navzven sevajočo UV lasersko svetlobo. Excimer in polprevodniški UV-laserji se običajno uporabljajo za lasersko obdelavo in rokovanje.
2.1. Excimer laserji
Glavni plinski UV-laserji so excimer laserji, argonski ionski laserji, dušikovi molekularni laserji, fluorovi molekularni laserji, helij-kadmijevi laserji itd. Excimer laserji itd. se običajno uporabljajo za lasersko obdelavo. Excimer laserji so plinski laserji z excimerjem kot delovno snovjo. So tudi impulzni laserji in so zelo zanimivi za raziskave, odkar je bil leta 1971 ustvarjen prvi laser excimer. Excimer je nestabilna sestavljena molekula, ki pod določenimi okoliščinami razpade na atome. Frekvenca ponavljanja in povprečna moč sta osnova za presojo excimer laserjev. Določen delež redkih plinov, kot so Ar, Kr in Xe, v mešanici s halogenimi elementi, kot so F, Cl in Br, so glavne delovne snovi plinskih UV laserjev, ki se črpajo s pomočjo elektronskih žarkov ali pulznih razelektritev. Ko so atomi žlahtnih in redkih plinov v osnovnem stanju vzbujeni, so elektroni zunaj jedra tako vzbujeni v višje orbitale, tako da se najbolj zunanja plast elektronov napolni in združi z drugimi atomi, da tvorijo kvazimolekule, ki nato skočijo nazaj v osnovno stanje in razpadejo na prvotne atome. Tekoči ksenon je bil delovna snov za zgodnje excimer laserje. Med današnje excimer laserje sodijo tudi ArF laser pri 193 nm, KrF laser pri 248 nm in XeCl laser pri 308 nm.
2.2. Polprevodniški UV laserji
Izjemne prednosti popolnoma polprevodniških UV-laserjev so njihova priročna majhnost, visoka zanesljivost in stabilnost delovanja. Najpogosteje se uporablja običajen kristal Nd:YAG za črpanje LD, ki se mu nato frekvenca podvoji.
Glavni koraki pri ustvarjanju UV polprevodniškega laserja so najprej črpanje svetlobnega vira v laserju na ojačevalni medij, da se doseže inverzija števila delcev, tvorba in nihanje osnovne rdeče svetlobe v resonančni votlini, nato podvojitev frekvence v votlini z enim ali več nelinearnimi kristali in končno izhod želenega UV laserja iz resonančne votline po prenosu in odboju. UV polprevodniški laserji so običajno pridobljeni z uporabo metod črpanja z diodo LD in črpanja z žarnico. Popolnoma polprevodniški UV laserji so UV polprevodniški laserji s črpanjem LD.
Nd:YAG (itrijev aluminijev granat, dopiran z neodimom) in Nd:YVO4 (itrijev vanadat, dopiran z neodimom) sta dve najpogostejši vrsti kristalov z ojačanim medijem. Običajna metoda za izboljšanje resonančnih votlin je uporaba majhne polprevodniške laserske diode LD, ki jo črpa laserski kristal Nd:YVO4 pri valovni dolžini 808 nm, da proizvede skoraj infrardečo svetlobo pri 1064 nm. V primerjavi z Nd:YAG ima laserski kristal Nd:YVO4 večji presek ojačanja, štirikrat večji od Nd:YAG, večji absorpcijski koeficient, petkrat večji od Nd:YAG, in nižji laserski prag. V primerjavi z Nd:YAG ima laserski kristal Nd:YVO4 večji presek ojačanja, štirikrat večji od Nd:YAG, večji absorpcijski koeficient, petkrat večji od Nd:YAG, in nižji laserski prag. Kristali Nd:YAG imajo visoko mehansko trdnost, visoko prepustnost svetlobe, dolgo življenjsko dobo fluorescence in ne zahtevajo močnega odvajanja toplote in hladilnega sistema.
3. Uporaba UV laserjev
UV laserska obdelava ima veliko prednosti in je trenutno izbrana tehnologija pri razvoju tehnoloških informacij. Prvič, UV-laser lahko oddaja ultra-kratke valovne dolžine laserske svetlobe, ki lahko natančno obravnava ultra-majhne in fine materiale; drugič, "hladna obdelava" UV-laserja ne uniči samega materiala kot celote, temveč le obdela njegovo površino; poleg tega v bistvu ni učinka toplotne poškodbe. Nekateri materiali ne absorbirajo učinkovito vidnih in infrardečih laserjev, zaradi česar jih ni mogoče obdelati. Največja prednost UV je, da v bistvu vsi materiali bolj absorbirajo UV svetlobo. UV-laserji, zlasti polprevodniški UV-laserji, so kompaktni in majhni, preprosti za vzdrževanje in enostavni za proizvodnjo v velikih količinah. UV-laserji se uporabljajo v številnih aplikacijah pri obdelavi medicinskih biomaterialov, forenziki v kazenskih primerih, ploščah integriranih vezij, industriji polprevodnikov, mikrooptičnih komponentah, kirurgiji, komunikacijah in radarju ter laserski obdelavi in rezanju.
3.1. Modifikacija površinskih lastnosti bioloških materialov
Pri nekaterih zdravljenjih morajo biti številni medicinski materiali združljivi s človeškim tkivom ali celo popravljeni, kot je zdravljenje intraokularnih bolezni z ultravijoličnim laserjem in poskusi na kunčjih roženicah, ki včasih zahtevajo spremembe v lastnostih bioloških beljakovin in biomolekularnih strukturah. Po prilagoditvi optimalnih impulznih parametrov excimer UV laserja so eksperimentalci nato obsevali površino medicinskih biomaterialov z laserji 100 nm, 120 nm oziroma 200 nm, s čimer so izboljšali fizikalno-kemijsko strukturo površine materiala in niso spremenili celotne kemične strukture materiala. materiala in narediti obdelane organske biomateriale bistveno bolj združljive in hidrofilne s človeškimi tkivi s primerjalnimi poskusi s kultiviranimi biološkimi celicami, kar je v veliko pomoč pri medicinskih bioloških aplikacijah.
3.2. Na področju kriminalistične preiskave
Na področju kazenskih preiskav se prstni odtisi uporabljajo kot pomemben biološki dokaz, ki ga osumljenci v kazenskih zadevah pustijo na kraju zločina, odkar je bilo ugotovljeno, da so prstni odtisi tako edinstveni kot DNK. Nekoč stare metode lahko povzročijo poškodbe vzorcev ter otežijo zbiranje in shranjevanje eksponatov. Sedanja raziskava ima izjemne rezultate za nepredirljive površinske prstne odtise, kot so trak, fotografije, steklo itd. UV-luminiscenčno slikanje" in "UV-lasersko odbojno slikanje" se uporabljata za opazovanje in beleženje odkrivanja in zbiranja prstnih odtisov z UV-laserskim obsevanjem potencialnih prstnih odtisov skozi pasovne filtre pri 266 nm oziroma 340 nm. Sedemdeset odstotkov od 120 vzorcev ki so bili preizkušeni v poskusu, so bili uspešno odkriti. Kratkovalovna ultravijolična tehnika poveča stopnjo uspešnosti morebitnih prstnih odtisov, zaradi enostavnosti in hitrosti, s katero je mogoče nadzorovati optične lastnosti, pa je obetavna za uporabo v znanosti na sodiščih. odluščene celice, krvne madeže, dlake z lasnimi mešički in druge običajne biološke vzorce je mogoče zaznati z UV-zaznavanjem.Ko pa je bil kratkovalovni 266 nm UV-laser uporabljen za obsevanje bioloških vzorcev na določeni razdalji in v različnih časih ter nato za ekstrakcijo DNK, je bilo ugotovljeno, da je kratkovalovni 266 nm UV laser resno vplival na rezultate DNK petih običajnih vrst bioloških dokazov: prstnih odtisov, b madeže krvi, madeže sline, odpadle celice in dlake z lasnimi mešički, vendar le v manjši meri na odkrivanje biološkega DAN za lase, vključno z lasnimi mešički, slino in krvnimi madeži. Kratkovalovni UV-laserji lahko vplivajo na nekatere biomateriale DNK, zato je treba metodo ekstrakcije skrbno izbrati zaradi njene dokazne vrednosti med forenzičnimi preiskavami.
3.3. UV laserske aplikacije na integriranih vezjih
Proizvodnja širokega nabora tiskanih vezij v industriji, od začetnega ožičenja do proizvodnje drobnih natančnih vgrajenih čipov, ki zahtevajo napredne postopke, fleksibilna vezja znotraj integriranih vezij, laminirana vezja v polimerih in bakru zahtevajo vrtanje in rezanje mikro lukenj, kot tudi popravilo in pregled materialov na ploščah, ki pogosto zahtevajo uporabo mikro-izdelave in obdelave. Tehnologija laserske mikroobdelave je očitno najboljša izbira za obdelavo tiskanih vezij. Laser med postopkom ne pride v stik z izdelkom, ki se obdeluje, s čimer se učinkovito izogne mehanskim silam, kar ima za posledico hitro obdelavo, visoko fleksibilnost in brez posebnih zahtev za delovno mesto, ki lahko z natančno nastavitvijo laserja dosežejo podmikronske velikosti. parametri in načrt raziskave. Bolj tradicionalne metode vrtanja, ki se uporabljajo na tiskanih vezjih, so uporaba UV laserjev in CO2 laserjev za nekovinsko označevanje (CO2 laserji z valovno dolžino 10,6 μm se uporabljajo za označevanje nekovinskih materialov; valovne dolžine 1064 nm ali 532 nm so na splošno uporablja se za označevanje kovinskih materialov). Trenutno se še vedno večinoma uporablja tehnologija UV laserske obdelave, ki lahko doseže obdelavo na mikronski ravni, visoko natančnost, lahko proizvede ultra fine mikro-ničelne naprave, lahko se uporabi na manj kot 1 μm točki laserskega žarka mikroluknje obravnavati. Vendar se CO2 laserji večinoma uporabljajo za luknje med 75 in 150 mm in so nagnjeni k neusklajenosti v majhnih luknjah, medtem ko se UV laserji lahko uporabljajo za luknje do 25 mm z visoko natančnostjo in brez neskladja. Na primer, pri "hladni" obdelavi pobakrenih tiskanih vezij z UV femtosekundnimi laserji se za pridobitev optimalnih procesnih parametrov uporablja obsežna metoda uravnoteženja, selektivne lastnosti jedkanja pa se nato uporabljajo za doseganje visokokakovostnega in visokoučinkovitega mikrolinijsko jedkanje pobakrenih površin s širino črte 50 μm in korakom črte 20 μm.
3.4 Obdelava in priprava mikrooptičnih komponent
V dobi informacijske tehnologije in hitrega razvoja sodobne industrije potreba po izgradnji več eksperimentalnih sistemov na manjšem prostoru in doseganju več funkcij zahteva pospešen razvoj informacijske tehnologije in, kar je še pomembneje, proizvodnjo manjših, miniaturiziranih in popolnoma funkcionalne naprave, ki obdelujejo le kemične vezi na površini materiala. Ima pomembno uporabo in raziskovalno vrednost na področjih vojaške radarske komunikacije, medicinske terapije, vesoljske in biokemije. Možni so bolj poglobljeni rezi in optimizacija ter raziskave in razvoj aplikacij na mikrooptičnih komponentah na nanometru, ki spreminjajo funkcije in lastnosti tradicionalnih optičnih komponent. Prednost mikrooptike je, da je enostavna za masovno proizvodnjo, enostavna za nizanje, majhna, lahka in prilagodljiva, vendar je glavni material kremenčevo steklo. Kremenčevo steklo je nagnjeno k pokanju in krateriranju med nanosom in ravnanjem ter je trd in krhek material, kar bistveno zmanjša njegove optične lastnosti. Posledično je "hladna" tehnologija neposrednega pisanja UV-laserja močno izboljšala učinkovitost mikrooptičnih naprav, kar omogoča hitro obdelavo mikrooptičnih komponent z visoko natančnostjo in fino strukturo brez poškodb materiala ter omogoča prilagodljivo obdelavo velike in majhne serije z različnimi zahtevami. Medtem ko so tuji raziskovalni inštituti preučevali UV-UV obdelavo silicijevih rezin že prej, so bile domače raziskave o tehnologiji rezanja silicijevih rezin in fasetah izvedene šele po relativno poznem začetku. Optimizirano rezanje treh silicijevih rezin iz istega materiala (0.18 mm, 0.38 mm in 0.6 mm) z najmanjšo odprtino 45 μm in natančnostjo obdelave 20 μm, brez razpok v materialu, manjši toplotni vpliv laserja in manj brizganja.
3.4. Uporaba UV laserja v industriji polprevodnikov
Mikroobdelava polprevodniških materialov z UV-laserji je v zadnjih letih deležna vse večje pozornosti. Na tisoče komponent gostega vezja je zelo pogostih v integriranih vezjih, zato je potrebno nekaj visokonatančnih metod ravnanja in obdelave, pa tudi nekaj visoko natančnih instrumentov in naprav, kot so silicijevi in safirni polprevodniški materiali ter drugi polprevodniški tanki filmi natančne mikroprocesne obdelave. UV-laser in preučite spektralne lastnosti filma, medtem ko lahko UV-laser poveča tudi izkoristek svetlobne energije silicijevih materialov, poleg tega pa spremeni mikrostrukturo površine silicija, kar je ugodno za razvoj sončnih kolektorjev, kot sta dvo- dimenzijska mikrorešetka itd.
4. zaključne opombe
Skozi desetletja razvoja in raziskav postajajo tehnologija in aplikacije UV-laserjev vedno bolj razširjene in zrele, njena najbolj značilna fina "hladna" tehnologija obdelave pa mikroprocesira in obdeluje površine, ne da bi spremenila fizikalne lastnosti predmeta in je pogosto uporablja v različnih industrijah in področjih, kot so komunikacije, optika, vojska, kriminalistične preiskave in zdravljenje. Obdobje 5G na primer ustvarja povpraševanje po obdelavi FPC. Z nadaljnjim razvojem industrije 5G in prizadevanjem za prilagodljive zaslone OLED s strani večjih proizvajalcev elektronike, povpraševanje po fleksibilnih vezjih FPC hitro narašča, s tem pa tudi povpraševanje po UV laserjih. Upajmo, da bo ta trend privedel do hitrega razvoja same UV-tehnologije za doseganje večjih prebojev v moči in širini impulza ter do novih področij uporabe. Uporaba UV-laserskih strojev je omogočila natančno hladno obdelavo materialov, kot je FPC, medtem ko je postopno povečevanje FPC spodbudilo uvedbo 5G, katerega značilnosti nizke zakasnitve zagotavljajo neomejene možnosti za nove valove tehnološkega razvoja, kot je tehnologija oblaka, Internet stvari, brez voznika in VR. To je seveda komplementaren koncept, nove tehnologije in aplikacije pa bodo sčasoma spodbudile nadaljnji razvoj UV laserjev.
Ker se pojavlja vse več novih kristalov za podvajanje frekvence in medijev za pridobivanje, krajša kot je valovna dolžina, večja moč UV-laserja se bo v prihodnosti uporabljala v več panogah za spodbujanje razvoja vseh družbenih slojev, UV-laserji na področju obdelave bolj inteligenten, učinkovit in natančen, visoka stopnja ponavljanja, visoka stabilnost je trend prihodnjega razvoja.
