Johdanto
Tekniikan nopean kehityksen myötä tarvitaan kevyempiä, tehokkaampia, pienempiä, monikäyttöisiä ja korkealaatuisia laserlaitteita elektroniikkaan, lääkehoitoon, biologiaan ja materiaaleihin. Tällä hetkellä yleisiä lasereita on saatavana infrapuna- ja näkyvällä aallonpituudella. Perinteiset lasertyökalut, -prosessit ja -tekniikat kärsivät alhaisesta tehokkuudesta, monimutkaisesta toiminnasta, korkeista kustannuksista, rajoitetusta kantamasta, suurista häviöistä ja alhaisesta tarkkuudesta. Tiedemiehet ovat toistuvasti tutkineet UV-lasereita viime vuosikymmeninä niiden suhteellisen korkean koherenssin, mukavuuden, vakauden ja luotettavuuden, alhaisten kustannusten, viritettävyyden, pienen koon, korkean hyötysuhteen, tarkkuuden ja käytännöllisyyden vuoksi.
2. UV-laserit
UV-laserit jaetaan pääasiassa kaasu-UV-lasereihin ja solid-UV-solid-state lasereihin. Työväliaine saavuttaa virittyneen tilan absorboimalla ulkoista energiaa pumppulähteen vaikutuksesta, ja kun hiukkasluvun inversiovahvistus on suurempi kuin häviö, valo vahvistuu ja osa vahvistetusta valosta syötetään takaisin jatkamaan viritystä siten. synnyttää värähtelyä resonanssiontelossa laserin tuottamiseksi. Kaasuväliaineita käytetään pääasiassa pulssi- tai elektronisuihkupurkauksissa, joissa elektronien väliset törmäykset virittävät kaasuhiukkasia alhaisilta energiatasoilta korkeille energiatasoille tuottaen virittyneitä hyppyjä UV-laserien saamiseksi. Kiinteä väliaine on epälineaarinen taajuutta kaksinkertaistava kide, joka tuottaa ulospäin säteilevää UV-laservaloa yhden tai useamman taajuussiirtymän jälkeen. Eksimeeri- ja täyskiinteän olomuodon UV-lasereita käytetään yleisesti laserkäsittelyssä ja -käsittelyssä.
2.1. Excimer laserit
Tärkeimmät kaasu-UV-laserit ovat eksimeerilaserit, argonionilaserit, typpimolekyylilaserit, fluorimolekyylilaserit, helium-kadmiumlaserit jne. Eksimeerilasereita jne. käytetään yleisesti laserkäsittelyssä. Eksimeerilaserit ovat kaasulasereita, joiden työaineena on eksimeeri. Ne ovat myös pulssilasereita, ja ne ovat olleet suuressa tutkimuksessa kiinnostavia siitä lähtien, kun ensimmäinen eksimeerilaser luotiin vuonna 1971. Excimer on epästabiili yhdistemolekyyli, joka hajoaa atomeiksi tietyissä olosuhteissa. Toistotaajuus ja keskimääräinen teho ovat eksimeerilaserien arvioinnin perusta. Tietty osa jalokaasuista, kuten Ar, Kr ja Xe sekoitettuna halogeenielementteihin, kuten F, Cl ja Br, ovat UV-kaasulaserien pääasiallisia työaineita, joita pumpataan elektronisuihkulla tai pulssipurkauksilla. Kun perustilassa olevat jalo- ja jalokaasuatomit viritetään, ytimen ulkopuoliset elektronit virittyvät korkeammille kiertoradalle siten, että uloin elektronikerros täyttyy ja yhdistyy muihin atomeihin muodostaen kvasimolekyylejä, jotka sitten hyppäävät takaisin perustilaan ja hajoaa alkuperäisiksi atomeiksi. Nestemäinen ksenon oli varhaisten eksimeerilaserien käyttöaine. Nykyiset eksimeerilaserit sisältävät myös ArF-laserin aallonpituudella 193 nm, KrF-laser 248 nm:ssä ja XeCl-laser 308 nm:ssä.
2.2. Solid-state UV-laserit
Kiinteän olomuodon UV-laserien merkittäviä etuja ovat niiden kätevä pieni koko, korkea luotettavuus ja toiminnan vakaus. Yleisimmin käytetty on tavallinen Nd:YAG-kide LD-pumppaukseen, jonka taajuus kaksinkertaistetaan.
Tärkeimmät vaiheet UV-solidstate-laserin luomisessa ovat ensin laserissa olevan valonlähteen pumppaaminen vahvistinväliaineeseen hiukkasluvun inversion saavuttamiseksi, punaisen perusvalon muodostuminen ja värähtely resonanssiontelossa, sitten taajuuden kaksinkertaistaminen kaviteetissa yhdellä tai useammalla epälineaarisella kiteellä ja lopuksi halutun UV-laserin ulostulo resonanssiontelosta lähetyksen ja heijastuksen jälkeen. UV-solidstate-laserit saadaan yleensä käyttämällä LD-diodipumppaus- ja lamppupumppumenetelmiä. All-Sold-state-UV-laserit ovat LD-pumpattuja UV-solid-state-lasereita.
Nd:YAG (neodyymiseostettu yttrium-alumiinigranaatti) ja Nd:YVO4 (neodyymiseostettu yttriumvanadaatti) ovat kaksi yleisempää vahvistettujen väliainekidetyyppiä. Yleinen menetelmä resonanssionteloiden parantamiseksi on käyttää pientä puolijohdelaserdiodia LD, joka on pumpattu Nd:YVO4-laserkiteellä aallonpituudella 808 nm tuottamaan lähi-infrapunavaloa 1064 nm:ssä. Verrattuna Nd:YAG:iin Nd:YVO4-laserkiteellä on suurempi vahvistuksen poikkileikkaus, neljä kertaa Nd:YAG:iin verrattuna, suurempi absorptiokerroin, viisi kertaa Nd:YAG:n ja matalampi laserkynnys. Verrattuna Nd:YAG:iin Nd:YVO4-laserkiteellä on suurempi vahvistuksen poikkileikkaus, neljä kertaa Nd:YAG:iin verrattuna, suurempi absorptiokerroin, viisi kertaa Nd:YAG:n ja matalampi laserkynnys. Nd:YAG-kiteillä on korkea mekaaninen lujuus, korkea valonläpäisykyky, pitkä fluoresenssin käyttöikä, eivätkä ne vaadi kovaa lämmönpoisto- ja jäähdytysjärjestelmää.
3. UV-laserien sovellukset
UV-laserkäsittelyllä on monia etuja, ja se on tällä hetkellä suosituin tekniikka teknologisen tiedon kehittämisessä. Ensinnäkin UV-laser voi tuottaa erittäin lyhyitä aallonpituuksia laservaloa, joka pystyy käsittelemään tarkasti erittäin pieniä ja hienoja materiaaleja; toiseksi UV-laserin "kylmäkäsittely" ei tuhoa itse materiaalia kokonaisuutena, vaan käsittelee vain sen pintaa; lisäksi lämpövaurioilla ei periaatteessa ole vaikutusta. Jotkut materiaalit eivät absorboi näkyviä ja infrapunalasereita tehokkaasti, minkä vuoksi niitä on mahdotonta käsitellä. UV:n suurin etu on, että periaatteessa kaikki materiaalit imevät UV-valoa laajemmin. UV-laserit, erityisesti solid-state UV-laserit, ovat kompakteja ja pieniä, helppohoitoisia ja helppoja valmistaa suuria määriä. UV-lasereita käytetään monenlaisissa sovelluksissa lääketieteellisten biomateriaalien käsittelyssä, rikosoikeudellisissa asioissa, integroiduissa piirilevyissä, puolijohdeteollisuudessa, mikrooptisissa komponenteissa, kirurgiassa, viestinnässä ja tutkassa sekä laserkäsittelyssä ja -leikkauksessa.
3.1. Biologisten materiaalien pintaominaisuuksien muuttaminen
Joissakin hoidoissa monien lääketieteellisten materiaalien täytyy olla yhteensopivia ihmiskudoksen kanssa tai jopa korjata, kuten silmänsisäisten sairauksien ultraviolettilaserhoito ja kanin sarveiskalvon kokeet, jotka joskus vaativat muutoksia biologisten proteiinien ominaisuuksiin ja biomolekyylirakenteisiin. Excimer UV-laserin optimaaliset pulssiparametrit säädettyään kokeen tekijät säteilyttelivät lääketieteellisten biomateriaalien pintaa 100 nm:n, 120 nm:n ja 200 nm:n lasereilla, mikä paransi materiaalin pinnan fysikaalis-kemiallista rakennetta eivätkä muuttaneet materiaalin yleistä kemiallista rakennetta. materiaalin ja käsiteltyjen orgaanisten biomateriaalien tekeminen merkittävästi yhteensopivammiksi ja hydrofiilisemmiksi ihmisen kudosten kanssa vertailevilla kokeilla viljellyillä biologisilla soluilla, mikä on suureksi avuksi lääketieteellisissä biologisissa sovelluksissa.
3.2. Rikostutkinnan alalla
Rikostutkinnassa sormenjälkiä on käytetty rikosasioissa epäiltyjen rikospaikalle jättämien tärkeinä biologisina todisteina siitä lähtien, kun havaittiin, että sormenjäljet ovat yhtä ainutlaatuisia kuin DNA. Kerran vanhat menetelmät voivat johtaa näytevaurioihin ja vaikeuttaa näyttelyesineiden keräämistä ja säilyttämistä. Nykyisellä tutkimuksella on erinomaisia tuloksia tunkeutumattomien esineiden pintojen sormenjälkien, kuten teippien, valokuvien, lasin jne. esiintymiseen. UV-luminesenssikuvausta" ja "UV-laserheijastuskuvausta" käytetään sormenjälkien havaitsemiseen ja keräämiseen mahdollisten sormenjälkien UV-lasersäteilytyksellä kaistanpäästösuodattimien läpi aallonpituudella 266 nm ja 340 nm. Seitsemänkymmentä prosenttia 120 näytteestä kokeessa testatut havaittiin onnistuneesti. UV-lyhytaaltotekniikka lisää mahdollisten sormenjälkien onnistumisastetta, ja optisten ominaisuuksien hallinnan helppous ja nopeus tekee siitä lupaavan käytettäväksi oikeussalitiedeessä. hilseilevät solut, veritahrat, karvatuppineen hiukset ja muut yleiset biologiset näytteet voidaan havaita UV-detektiolla, mutta kun lyhytaaltoisella 266 nm UV-laserilla säteilytettiin biologisia näytteitä kiinteältä etäisyydeltä ja eri kestoisin ja sitten uutettiin. DNA:sta havaittiin, että lyhytaaltoisella 266 nm UV-laserilla oli vakava vaikutus viiden yleisen biologisen todisteen DNA-tuloksiin: sormenjäljet, b. luodustahroja, sylkitäpliä, irtosoluja ja karvatuppeja sisältäviä hiuksia, mutta vain vähäisemmässä määrin hiusten biologisen DAN:n havaitsemiseen, mukaan lukien karvatupet, sylki ja veripisteet. Lyhytaalto-UV-laserit voivat vaikuttaa joihinkin DNA-biomateriaaleihin, joten erotusmenetelmä tulee valita huolellisesti sen todistusarvon vuoksi oikeuslääketieteellisissä tutkimuksissa.
3.3. UV-lasersovellukset integroiduilla piirilevyillä
Laajan piirilevyvalikoiman valmistus teollisuudessa, aina ensimmäisestä johdotuksesta edistyneitä prosesseja vaativien pienten tarkkuussulautettujen sirujen, integroitujen piirilevyjen joustavien piirien, polymeerien ja kuparin laminoitujen piirien tuotantoon, kaikki vaatii mikroreikien poraamisen ja leikkaamisen, sekä levyjen materiaalien korjaus ja tarkastus, mikä vaatii usein mikrovalmistusta ja -käsittelyä. Lasermikrotyöstötekniikka on selkeästi paras valinta piirilevyjen käsittelyyn. Laser ei joudu kosketuksiin prosessoitavan tuotteen kanssa prosessin aikana, mikä välttää tehokkaasti mekaanisia voimia, mikä johtaa nopeaan käsittelyyn, suureen joustavuuteen eikä työpaikalle aseteta erityisiä vaatimuksia, jotka voivat saavuttaa alle mikronin suuruudet laserin tarkalla asetuksella. parametrit ja tutkimussuunnittelu. Perinteisempiä piirilevyillä käytettyjä porausmenetelmiä ovat UV-laserien ja CO2-laserien käyttö ei-metalliseen merkintään (ei-metallisten materiaalien merkitsemiseen käytetään CO2-lasereita, joiden aallonpituus on 10,6 μm; aallonpituudet 1064 nm tai 532 nm ovat yleensä käytetään metallimateriaalien merkitsemiseen). Tällä hetkellä käytetään edelleen pääasiassa UV-laserkäsittelytekniikkaa, joka voi saavuttaa mikronitason käsittelyn, korkean tarkkuuden, voi tuottaa erittäin hienoja mikronollalaitteita, voidaan soveltaa alle 1 μm:n pisteeseen mikroreiän lasersäteestä. käsittelyä. CO2-lasereita käytetään kuitenkin pääasiassa 75–150 mm:n reikiin, ja ne ovat alttiita kohdistusvirheille pienissä reikissä, kun taas UV-lasereita voidaan käyttää jopa 25 mm:n reikiin suurella tarkkuudella ja ilman kohdistusvirheitä. Esimerkiksi kuparipäällysteisten piirilevyjen "kylmäprosessoinnissa" UV-femtosekuntilasereilla käytetään kattavaa tasapainotusmenetelmää optimaalisten prosessiparametrien saamiseksi, ja selektiivisiä syövytysominaisuuksia käytetään sitten korkealaatuisen ja korkean hyötysuhteen saavuttamiseksi. kuparipäällysteisten pintojen mikroviivasyövytys viivan leveydellä 50 μm ja viivavälillä 20 μm.
3.4 Mikrooptisten komponenttien käsittely ja valmistus
Tietotekniikan ja modernin teollisuuden nopean kehityksen aikakaudella tarve rakentaa enemmän kokeellisia järjestelmiä pienempään tilaan ja saavuttaa enemmän toimintoja edellyttää tietotekniikan nopeutettua kehitystä ja mikä tärkeämpää, pienempien, miniatyrisoitujen ja kokonaan tuotantoa. toiminnallisia laitteita, jotka käsittelevät vain materiaalin pinnalla olevia kemiallisia sidoksia. Sillä on tärkeitä sovelluksia ja tutkimusarvoa sotilaallisen tutkaviestinnän, lääketieteellisen hoidon, ilmailun ja biokemian aloilla. Mikrooptisten komponenttien syvällisempi leikkaus ja optimointi sekä sovellusten tutkimus ja kehittäminen nanomittakaavassa ovat mahdollisia, muuttaen perinteisten optisten komponenttien toimintoja ja ominaisuuksia. Mikrooptiikassa on se etu, että se on helppo massatuotantoa, helppo ryhmitellä, pieni, kevyt ja joustava, mutta päämateriaali on kvartsilasi. Kvartsilasi on alttiina halkeilemaan ja kraatteroitumaan levityksen ja käsittelyn aikana, ja se on kovaa ja hauras materiaalia, mikä heikentää merkittävästi sen optisia ominaisuuksia. Tämän seurauksena UV-laserin suorakirjoitus "kylmä" prosessointitekniikka on parantanut huomattavasti mikrooptisten laitteiden tehokkuutta, mikä mahdollistaa mikrooptisten komponenttien nopean käsittelyn erittäin tarkasti ja hienojakoisesti vahingoittamatta materiaalia ja mahdollistaa joustavan käsittelyn suuret ja pienet erät erilaisilla vaatimuksilla. Ulkomaiset tutkimuslaitokset ovat tutkineet piikiekkojen UV-UV-käsittelyä aiemmin, kun taas kotimainen piikiekkojen leikkausteknologian ja fasettien tutkimus aloitettiin vasta suhteellisen myöhään. Optimoitu leikkaus kolmelle samaa materiaalia olevalle piikiekolle (0,18 mm, 0,38 mm ja 0,6 mm) vähintään 45 μm:n aukolla ja koneistustarkkuudella 20 μm, ei halkeamia materiaalissa, vähemmän laserin lämpövaikutusta ja vähemmän roiskeita.
3.4. UV-lasersovellukset puolijohdeteollisuudessa
Puolijohdemateriaalien mikrotyöstö UV-lasereilla on saanut viime vuosina yhä enemmän huomiota. Tuhannet tiheät piirikomponentit ovat hyvin yleisiä integroiduissa piireissä, joten tarvitaan joitakin erittäin tarkkoja käsittely- ja prosessointimenetelmiä sekä joitakin erittäin tarkkoja instrumentteja ja laitteita, kuten pii- ja safiiripuolijohdemateriaalit ja muut puolijohdeohutkalvot, jotka on valmistettu tarkasti mikroprosessoinnilla. UV-laser ja kalvon spektriominaisuuksien tutkiminen, kun taas UV-laser voi myös lisätä piimateriaalien valoenergian hyödyntämistä, mutta myös tehdä piipinnan mikrorakenteen muutoksia, mikä edistää aurinkopaneelien kehitystä, kuten kaksi- mittainen mikroritilä jne.
4. loppuhuomautukset
Vuosikymmenien kehitystyön ja tutkimuksen myötä UV-laserien teknologia ja sovellukset ovat yleistyneet ja kypsyneet, ja sen tyypillisin hieno "kylmä" käsittelytekniikka mikroprosessoi ja käsittelee pintoja muuttamatta kohteen fysikaalisia ominaisuuksia. käytetään laajasti eri teollisuudenaloilla ja aloilla, kuten viestinnässä, optiikassa, sotilas-, rikostutkinnassa ja sairaanhoidossa. Esimerkiksi 5G-aikakausi luo kysyntää FPC-käsittelylle. Kun 5G-teollisuus kehittyy edelleen ja suuret elektroniikkavalmistajat pyrkivät joustaviin OLED-näyttöihin, FPC-joustavien piirilevyjen kysyntä kasvaa nopeasti ja sen myötä UV-laserien kysyntä. Tämä suuntaus johtaa toivottavasti itse UV-teknologian nopeaan kehitykseen tehon ja pulssin leveyden suurempien läpimurtojen saavuttamiseksi sekä uusiin sovellusalueisiin. UV-laserkoneiden käyttö on mahdollistanut FPC:n kaltaisten materiaalien tarkan kylmäprosessoinnin, kun taas FPC:n asteittainen lisääntyminen on edistänyt 5G:n käyttöönottoa, jonka alhaiset latenssiominaisuudet tarjoavat rajattomat mahdollisuudet uusille teknologisen kehityksen aalloille, kuten pilviteknologialle, Esineiden internet, kuljettajattomuus ja VR. Tämä on tietysti toisiaan täydentävä käsite, ja uudet teknologiat ja sovellukset ohjaavat lopulta UV-laserien jatkokehitystä.
Kun uusia ja enemmän uusia taajuutta kaksinkertaistavia kiteitä ja vahvistusta ilmaantuu, mitä lyhyempi aallonpituus, sitä suurempaa UV-laserin tehoa käytetään tulevaisuudessa useammilla teollisuudenaloilla edistämään kaikkien elämänalojen kehitystä, UV-laserit prosessointikentällä. älykkäämpiä, tehokkaampia ja tarkempia, korkea toistotaajuus, korkea vakaus on tulevaisuuden kehityssuunta.
