Ce este un laser UV într-un articol

1. Introducere

Odată cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei, este nevoie de echipamente laser mai ușoare, mai eficiente, mai mici, multifuncționale și de înaltă calitate pentru electronică, terapie medicală, biologie și materiale. În prezent, laserele comune sunt disponibile în lungimi de undă în infraroșu și vizibil. Uneltele, procesele și tehnologiile tradiționale cu laser suferă de eficiență scăzută, funcționare complexă, costuri ridicate, rază limitată, pierderi severe și precizie scăzută. Laserele UV au fost cercetate în mod repetat de oamenii de știință în ultimele decenii pentru coerența lor relativ ridicată, comoditatea, stabilitatea și fiabilitatea, costul scăzut, reglabilitatea, dimensiunile mici, eficiența ridicată, acuratețea și caracterul practic.

2. lasere UV

Laserele UV sunt împărțite în principal în lasere UV cu gaz și lasere cu stare solidă UV solide. Mediul de lucru atinge o stare excitată prin absorbția energiei externe sub acțiunea sursei pompei, iar după ce câștigul inversării numărului de particule este mai mare decât pierderea, lumina este amplificată și o parte din lumina amplificată este alimentată înapoi pentru a continua excitarea astfel. generând oscilații în cavitatea rezonantă pentru a produce laserul. Mediile de gaz sunt utilizate în principal în descărcări în impulsuri sau fascicule de electroni, unde coliziunile dintre electroni excită particulele de gaz de la niveluri scăzute de energie la niveluri ridicate de energie pentru a produce salturi excitate pentru a obține lasere UV. Mediul solid este un cristal de dublare a frecvenței neliniare care produce lumină laser UV care radiază în exterior după una sau mai multe tranziții de frecvență. Laserele UV cu excimeri și în stare solidă sunt utilizate în mod obișnuit pentru prelucrarea și manipularea cu laser.

2.1. Laserele cu excimer

Principalele lasere UV cu gaz sunt laserele cu excimer, laserele cu ioni de argon, laserele moleculare cu azot, laserele moleculare cu fluor, laserele cu heliu cadmiu etc. Laserele cu excimer etc. sunt utilizate în mod obișnuit pentru prelucrarea cu laser. Laserele cu excimer sunt lasere cu gaz cu excimer ca substanță de lucru. Ele sunt, de asemenea, lasere cu pulsații și au fost de mare interes în cercetare de când a fost creat primul laser cu excimer în 1971. Excimerul este o moleculă compusă instabilă care se descompune în atomi în anumite circumstanțe. Frecvența de repetiție și puterea medie sunt baza pentru evaluarea laserelor cu excimeri. O anumită proporție de gaze rare precum Ar, Kr și Xe amestecate cu elemente halogen precum F, Cl și Br sunt principalele substanțe de lucru ale laserelor cu gaz UV, care sunt pompate prin intermediul fasciculelor de electroni sau a descărcărilor pulsate. Atunci când atomii de gaze nobile și rare în starea fundamentală sunt excitați, electronii din afara nucleului sunt astfel excitați la orbiti superiori, astfel încât stratul de electroni cel mai exterior este umplut și combinat cu alți atomi pentru a forma cvasimolecule, care apoi sară înapoi la starea fundamentală și se descompun în atomii originali. Xenonul lichid a fost substanța de lucru pentru primele lasere cu excimeri. Laserele excimer de astăzi includ și laserul ArF la 193 nm, laserul KrF la 248 nm și laserul XeCl la 308 nm.

2.2. Laser UV cu stare solidă

Avantajele remarcabile ale laserelor UV cu stare solidă sunt dimensiunile mici convenabile, fiabilitatea ridicată și stabilitatea operațională. Cel mai frecvent utilizat este cristalul obișnuit Nd:YAG pentru pomparea LD, care este apoi dublat de frecvență.

Principalii pași în generarea unui laser cu stare solidă UV sunt în primul rând pomparea sursei de lumină din laser pe mediul intensificator pentru a obține inversarea numărului de particule, formarea și oscilația luminii roșii fundamentale în cavitatea rezonantă, apoi dublarea frecvenței în cavitate cu unul sau mai multe cristale neliniare și, în final, ieșirea laserului UV dorit din cavitatea rezonantă după transmitere și reflectare. Laserele UV cu stare solidă sunt obținute de obicei prin utilizarea metodelor de pompare cu diode LD și pompare cu lampă. Laserele UV cu stare solidă sunt lasere cu stare solidă UV cu pompare LD.

Nd:YAG (granat de ytriu aluminiu dopat cu neodim) și Nd:YVO4 (vanadat de ytriu dopat cu neodim) sunt două dintre cele mai comune tipuri de cristale de mediu armate. O metodă comună de îmbunătățire a cavităților rezonante este utilizarea unei mici diode laser semiconductoare LD pompate cu un cristal laser Nd:YVO4 la o lungime de undă de 808 nm pentru a produce lumină în infraroșu apropiat la 1064 nm. În comparație cu Nd:YAG, cristalul laser Nd:YVO4 are o secțiune transversală de câștig mai mare, de patru ori mai mare decât a Nd:YAG, un coeficient de absorbție mai mare, de cinci ori mai mare decât cel al Nd:YAG și un prag laser mai mic. În comparație cu Nd:YAG, cristalul laser Nd:YVO4 are o secțiune transversală de câștig mai mare, de patru ori mai mare decât a Nd:YAG, un coeficient de absorbție mai mare, de cinci ori mai mare decât cel al Nd:YAG și un prag laser mai mic. Cristalele Nd:YAG au rezistență mecanică ridicată, transmisie ridicată a luminii, durată lungă de viață a fluorescenței și nu necesită un sistem dur de disipare a căldurii și de răcire.

3. Aplicații ale laserelor UV

Procesarea cu laser UV are multe avantaje și este în prezent tehnologia de alegere în dezvoltarea informațiilor tehnologice. În primul rând, laserul UV poate emite lungimi de undă ultra-scurte ale luminii laser, care se pot ocupa cu precizie de materiale ultra-mici și fine; în al doilea rând, „tratamentul la rece” al laserului UV nu distruge materialul în sine în întregime, ci doar tratează suprafața acestuia; în plus, practic nu există nici un efect al daunelor termice. Unele materiale nu absorb eficient laserele vizibile și infraroșii, ceea ce le face imposibil de prelucrat. Cel mai mare avantaj al UV este că practic toate materialele absorb lumina UV mai mult. Laserele UV, în special laserele UV cu stare solidă, sunt compacte și mici, ușor de întreținut și ușor de produs în cantități mari. Laserele UV sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații în prelucrarea biomaterialelor medicale, criminalistică în cauzele penale, plăci de circuite integrate, industria semiconductoarelor, componente micro-optice, chirurgie, comunicații și radar, precum și procesare și tăiere cu laser.

3.1. Modificarea proprietăților de suprafață ale materialelor biologice

În unele tratamente, multe materiale medicale trebuie să fie compatibile cu țesutul uman sau chiar reparate, cum ar fi tratamentul cu laser ultraviolet al bolilor intraoculare și experimentele pe cornee de iepure care uneori necesită modificări ale proprietăților biologice ale proteinelor și ale structurilor biomoleculare. După ajustarea parametrilor optimi de puls ai laserului UV cu excimer, experimentatorii au iradiat apoi suprafața biomaterialelor medicale cu lasere de 100 nm, 120 nm și, respectiv, 200 nm, îmbunătățind astfel structura fizico-chimică a suprafeței materialului și neschimbând structura chimică generală a materialul și făcând biomaterialele organice tratate mult mai compatibile și hidrofile cu țesuturile umane prin experimente comparative cu celule biologice cultivate, ceea ce este de mare ajutor în aplicațiile biologice medicale.

3.2. În domeniul urmăririi penale

În domeniul urmăririi penale, amprentele au fost folosite ca probe biologice importante lăsate la locul faptei de suspecții în dosare penale de când s-a descoperit că amprentele sunt la fel de unice ca și ADN-ul. Odată metodele vechi pot duce la deteriorarea probelor și pot face dificilă colectarea și depozitarea exponatelor. Cercetarea actuală are rezultate remarcabile pentru amprentele de suprafață a obiectelor care nu penetrează, cum ar fi benzi, fotografii, sticlă etc. Imaginile cu luminiscență UV” și „imagini cu reflectanță laser UV” sunt folosite pentru a observa și înregistra detectarea și colectarea amprentelor prin iradierea cu laser UV a amprentelor potențiale prin filtre trece-bandă la 266 nm și, respectiv, 340 nm. Șaptezeci la sută din cele 120 de probe. testate în experiment au fost detectate cu succes. Tehnica UV cu unde scurte crește rata de succes a potențialelor amprente digitale, iar ușurința și viteza cu care pot fi controlate proprietățile optice o fac promițătoare pentru utilizare în știința sălii de judecată. celulele exfoliate, petele de sânge, părul cu foliculi de păr și alte specimene biologice comune pot fi detectate cu detecția UV.Cu toate acestea, atunci când laserul UV cu undă scurtă de 266 nm a fost folosit pentru a iradia probe biologice la o distanță fixă ​​și la diferite durate și apoi pentru a extrage ADN, s-a constatat că laserul UV cu undă scurtă de 266 nm a avut un efect grav asupra rezultatelor ADN a cinci tipuri comune de dovezi biologice: amprentele digitale, b. pete, pete de salivă, celule care vărsează și păr cu foliculi de păr, dar numai într-o măsură mai mică la detectarea DAN biologică pentru păr, inclusiv foliculii de păr, salivă și pete de sânge. Laserele UV cu unde scurte pot afecta unele biomateriale ADN, așa că metoda de extracție ar trebui aleasă cu grijă pentru valoarea probatorie în timpul investigațiilor criminalistice.

3.3. Aplicații cu laser UV pe plăci de circuite integrate

Producția unei game largi de plăci de circuite în industrie, de la cablarea inițială până la producția de cipuri mici încorporate de precizie care necesită procese avansate, circuite flexibile în plăci de circuite integrate, circuite laminate în polimeri și cupru, toate necesită găurirea și tăierea micro-găurilor, precum și repararea și inspecția materialelor de pe plăci, necesitând adesea utilizarea de microfabricare și prelucrare. Tehnologia de microprelucrare cu laser este în mod clar cea mai bună alegere pentru procesarea plăcilor de circuite. Laserul nu intră în contact cu produsul care urmează să fie prelucrat în timpul procesului, evitând efectiv forțele mecanice, rezultând o prelucrare rapidă, flexibilitate ridicată și fără cerințe speciale pentru locul de muncă, care poate atinge magnitudini submicronice prin setarea precisă a laserului parametrii și proiectarea cercetării. Metodele de găurire mai tradiționale utilizate pe plăcile de circuite sunt utilizarea laserelor UV și a laserelor CO2 pentru marcarea nemetalice (laserele CO2 cu o lungime de undă de 10,6 μm sunt utilizate pentru marcarea materialelor nemetalice; lungimi de undă de 1064 nm sau 532 nm sunt în general folosit pentru marcarea materialelor metalice). În prezent, tehnologia de procesare cu laser UV este încă utilizată în principal, care poate realiza procesare la nivel de microni, precizie ridicată, poate produce dispozitive micro-zero ultrafine, poate fi aplicată la un punct mai mic de 1 μm al fasciculului laser al micro-găurii prelucrare. Cu toate acestea, laserele cu CO2 sunt utilizate în principal pentru găuri între 75 și 150 mm și sunt predispuse la dezaliniri în găurile mici, în timp ce laserele UV pot fi utilizate pentru găuri de până la 25 mm cu o precizie ridicată și fără aliniere greșită. De exemplu, în procesarea „la rece” a plăcilor de circuite placate cu cupru cu lasere UV femtosecunde, este utilizată o metodă de echilibrare cuprinzătoare pentru a obține parametrii optimi ai procesului, iar proprietățile de gravare selectivă sunt apoi utilizate pentru a obține o calitate înaltă, de înaltă eficiență. micro-gravarea în linie a suprafețelor placate cu cupru cu o lățime de linie de 50 μm și un pas de linie de 20 μm.

3.4 Prelucrarea și pregătirea componentelor micro-optice

În epoca tehnologiei informației și a dezvoltării rapide a industriei moderne, necesitatea de a construi mai multe sisteme experimentale într-un spațiu mai mic și de a realiza mai multe funcții necesită dezvoltarea accelerată a tehnologiei informației și, mai important, producția de materiale mai mici, miniaturizate și complet. dispozitive funcționale care prelucrează doar legăturile chimice de pe suprafața materialului. Are aplicații importante și valoare de cercetare în domeniile comunicațiilor radar militare, terapiei medicale, aerospațiale și biochimiei. Sunt posibile tăierea și optimizarea în profunzime și cercetarea și dezvoltarea aplicațiilor pe componente micro-optice la scară nanometrică, transformând funcțiile și proprietățile componentelor optice tradiționale. Micro-optica are avantajul de a fi ușor de produs în masă, ușor de aranjat, mică, ușoară și flexibilă, dar principalul material este sticla de cuarț. Sticla de cuarț este predispusă la crăpare și cratere în timpul aplicării și manipulării și este un material dur și fragil, care îi reduce semnificativ proprietățile optice. Ca rezultat, tehnologia de procesare „la rece” cu scriere directă a laserului UV a îmbunătățit considerabil eficiența dispozitivelor micro-optice, permițând prelucrarea rapidă a componentelor micro-optice cu precizie ridicată și structură fină, fără a deteriora materialul și permițând prelucrarea flexibilă a loturi mari și mici cu cerințe diferite. În timp ce institutele de cercetare străine au studiat anterior procesarea UV-UV a plachetelor de siliciu, cercetările interne privind tehnologia și fațetele de tăiere a plachetelor de siliciu au fost efectuate numai după un început relativ târziu. Tăiere optimizată a trei plachete de siliciu din același material (0,18 mm, 0,38 mm și 0,6 mm) cu o deschidere minimă de 45 μm și o precizie de prelucrare de 20 μm, fără fisuri în material, mai puțină influență termică a laserului și mai puține stropiri.

3.4. Aplicații cu laser UV în industria semiconductoarelor

Microprelucrarea materialelor semiconductoare cu lasere UV a primit o atenție tot mai mare în ultimii ani. Mii de componente de circuite dense sunt foarte frecvente în circuitele integrate, astfel încât sunt necesare unele metode de manipulare și procesare de înaltă precizie, precum și unele instrumente și dispozitive de înaltă precizie, cum ar fi materiale semiconductoare din siliciu și safir și alte pelicule subțiri semiconductoare de microprocesare de precizie prin Laser UV și studiază proprietățile spectrale ale filmului, în timp ce laserul UV poate crește, de asemenea, utilizarea energiei luminii a materialelor de siliciu, dar, de asemenea, poate face modificări microstructurii suprafeței de siliciu, ceea ce este favorabil dezvoltării panourilor solare, cum ar fi două- micro-rețele dimensionale etc.

4. concluzii

Prin zeci de ani de dezvoltare și cercetare, tehnologia și aplicațiile laserelor UV au devenit din ce în ce mai răspândite și mature, iar cea mai caracteristică tehnologie de procesare fină „la rece” microprocesează și tratează suprafețele fără a modifica proprietățile fizice ale obiectului și este utilizat pe scară largă în diverse industrii și domenii precum comunicații, optică, armată, investigații penale și tratament medical. Era 5G, de exemplu, generează cerere pentru procesarea FPC. Odată cu dezvoltarea ulterioară a industriei 5G și urmărirea afișajelor OLED flexibile de către marii producători de electronice, cererea pentru plăci de circuite flexibile FPC crește rapid și, odată cu aceasta, cererea de lasere UV. Această tendință va duce, sperăm, la o dezvoltare rapidă a tehnologiei UV în sine pentru a obține progrese mai mari în ceea ce privește puterea și lățimea impulsului, precum și la noi domenii de aplicare. Aplicarea mașinilor cu laser UV a făcut posibilă prelucrarea de precizie la rece a materialelor precum FPC, în timp ce creșterea treptată a FPC a determinat implementarea 5G, ale cărui caracteristici de latență scăzută oferă oportunități nelimitate pentru noi valuri de dezvoltare tehnologică, cum ar fi tehnologia cloud, Internetul lucrurilor, șoferul și VR. Acesta este, desigur, un concept complementar, iar noile tehnologii și aplicații vor conduce în cele din urmă la dezvoltarea în continuare a laserelor UV.

Pe măsură ce apar din ce în ce mai multe cristale noi de dublare a frecvenței și medii de câștig, cu cât lungimea de undă este mai scurtă, cu atât puterea laserului UV va fi folosită în viitor în mai multe industrii pentru a promova dezvoltarea tuturor categoriilor sociale, laserele UV în domeniul prelucrării. mai inteligent, eficient și precis, rata mare de repetiție, stabilitatea ridicată este tendința dezvoltării viitoare.