干货!一文看懂什么是紫外激光器

时间:2022-05-18 09:01来源:海南师范大学物理与电子作者:xuji 点击:
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摘要:

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本文作者苏 畅,马宇航,丁可可,韦 龙,李再金* ,赵志斌,曾丽娜,李 林,乔忠良,陈 浩,曲 轶,来自海南师范大学物理与电子工程学院,海南省激光技术与光电功能材料重点实验室,仅供行业交流学习之用,感谢分享!

1. 引言

随着科技的快速发展,电子、医学治疗、生物还有材料等方面都需要更为轻便、高效、小型化、多功能、高品质的激光仪器设备。目前常见的激光器的波长为红外和可见光,传统的激光工具、工艺和技术存在效率低、操作复杂、成本高、范围受限、损耗严重、精确度低等问题。近几十年来紫外激光器被科学家们反复研究突破,是因为其具有相对高的相干性,更加便捷、稳定可靠、成本低、可调谐、小型、效率高、精度高还有实用化等特点。

2. 紫外激光器

紫外激光器主要分为气体紫外激光器和固体紫外固体激光器。工作介质在泵浦源的作用下通过吸收外界的能量达到激发态,经过粒子数反转增益大于损耗,对光进行放大,部分被放大的光反馈继续激励从而在谐振腔内产生振荡产生激光。气体介质主要是利用脉冲或者电子束放电,通过电子之间的相互碰撞把气体粒子由低能级激发到高能级产生受激跃迁从而得到紫外激光。固体介质是用非线性倍频晶体的方式在经过一次及以上的频率转换产生向外辐射的紫外激光。准分子和全固态紫外激光器常用于激光加工和处理[1]。紫外激光器的分类如表 1。

2.1. 准分子激光器

气体紫外激光器主要有准分子激光器、氩离子激光器、氮分子激光器、氟分子激光器、氦镉激光器等。准分子激光器等通常用于激光加工[2]。准分子激光器是以准分子为工作物质的气体激光器,它也是一种脉冲激光器,从 1971 年第一台准分子激光器的诞生[3],就有了巨大的研究意义。准分子是一种不稳定复合的分子,在一定情况下会分解成原子。重复频率和平均功率为评判准分子激光器的依据。一定比例的 Ar、Kr、Xe 等的稀有气体和 F、Cl、Br 等的卤族元素相混合是紫外气体激光器的主要工作物质,实现泵浦的方法是用电子束或脉冲放电达到。基态的惰性气体原子和稀有气体原子受激发后,核外电子从而被激发到更高的轨道使最外层电子层被填充满,并与其他原子结合形成准分子,随后跃迁回基态再分解成原来的原子,剩余能量以光子的形式分离出来最后经过谐振腔的放大得到紫外激光如图 1 所示[1]。液态氙为早期的准分激光器的工作物质。现在的准分子激光器还包括 193 nm 的 ArF 激光器,248 nm 的KrF 激光器和 308 nm 的 XeCl 激光等。

2.2. 固态紫外激光器

全固态紫外激光器的突出优点有便捷体积小、可靠性高和工作稳定等。最常用的是 LD 泵浦惯用的Nd:YAG 晶体,再进行倍频如图 2 所示[4]。

产生紫外固体激光器的主要步骤是首先激光器内的泵浦光源照射到增强介质上从而实现粒子数反转[5],基波红光在谐振腔内形成并且振荡,再通过一次或多次非线性晶体腔内倍频,在经过透射、反射最终从谐振腔输出所需的紫外激光。通常采用 LD 二极管泵浦和灯泵浦的方法得到紫外固体激光器。全固态紫外激光器即 LD 泵浦的紫外固体激光器,其光路原理如图 3 所示[1]。

Nd:YAG (掺钕钇铝石榴石)和 Nd:YVO4 (掺钕钒酸钇)是两种比较常见的增强介质晶体。常用的增强谐振腔的方法是用波长为 808 nm 的小型半导体激光二极管 LD 泵浦 Nd:YVO4 激光晶体产生 1064 nm 的近红外光,腔内倍频输出波长为 532 nm 的绿光,再送入增强谐振腔进行四倍频,输出波长为 266nm 的深紫外激光,基频绿光输入阈值可低到 215 mW [6]。与 Nd:YAG 比较,Nd:YVO4 激光晶体具有更大的增益截面,是 Nd:YAG 的 4 倍;吸收系数大,是 Nd:YAG 的 5 倍,有激光阈值低等优点。Nd:YAG 晶体的机械强度比较高,光线的透射率高,荧光寿命长,也不需要过为严苛的散热降温系统,可以适应于广泛的工作使用需求,可以得到较高质量的激光,所以现在国内外通常使用紫外固体激光器会选择 Nd:YAG晶体来做增益介质。

3. 紫外激光器的应用

紫外激光加工方面有很多优点,也是目前科技信息发展中的首选技术。首先紫外激光器可以输出超短波长的激光,可以精准处理超小细微的材料;其次紫外激光的“冷处理”不会整体破坏材料本身,只是对其表面就行处理;再者基本无热损伤影响[7];一些材料对可见光和红外激光不能有效吸收导致无法加工,紫外最大的优势是基本所有的材料对紫外光吸收较为广泛[8]。紫外激光器尤其是固体紫外激光器的结构紧凑且体积小、简单好维护、易大量生产。紫外激光器在加工处理医用生物材料、刑事案件取证、集成电路板、半导体工业、微光元器件、外科手术[9]、通信和雷达、激光加工割方面应用十分广泛。

3.1. 改变生物材料表面特性

在某些治疗中,许多医用材料需要与人体组织相容,甚至是修复,如紫外激光治疗眼内疾病[10]和兔角膜实验[11]有时也需要改变生物蛋白质特性[12]和生物大分子结构[13],调整准分子紫外激光器最佳脉冲参数,实验人员再分别用 100 nm、120 nm、200 nm 的激光对医用生物材料表面照射后,从而改善材料表面物理化学结构,并不改变材料整体化学结构,通过培养生物细胞对比实验,使处理后的有机生物材料与人体组织相容性和亲水性有显著性提高,在医用生物应用方面有很大的帮助[14]。

3.2. 刑侦领域

在刑侦领域,当发现指纹同 DNA 一样具有独一无二的特性以来,指印便可作为刑事案件犯罪嫌疑人的遗留在犯罪现场的重要生物证。曾经旧的方法会导致样品损伤,难以对证物进行收集和存储。现在的研究针对于非渗透性客体表面指纹,如胶带、照片、玻璃等显现具有突出效果。“紫外发光成像技术”和“紫外激光反射成像技术”即波长为 266 nm 的紫外激光照射潜在指印,分别透过 266 nm 和 340 nm 的带通滤光镜,来观察和记录紫外激光对指印的检测和采纳收集[15]。实验中的 120 个实验样本有百分之七十都可被成功检测。紫外短波技术提高了潜在指印的成功率,而且方便快捷容易控制其光学特性,在法庭科学领域有广大的应用前景。现场唾液斑、脱落细胞、血迹、有毛囊的毛发等常见生物检材探测都可用紫外检测。但是通过短波 266 nm 的紫外激光在固定距离通过不同时长照射生物检材再提取 DNA 进行分析,结果发现短波 266 nm 的紫外激光对指印、血迹、唾液斑、脱落细胞、有毛囊的毛发 5 种常见生物物证的 DNA 检验结果产生严重影响,但是针对毛发包括毛囊、体液唾液和血液斑痕等的生物 DAN 的检测仅有少部分的影响。短波紫外激光会对部分 DNA 生物检材产生影响,所以在刑侦调查取证时要依据证据作用来慎重选择提取方法[16]。

3.3. 紫外激光在集成电路板上的应用

在工业领域中多种电路板的生产制作过程,从最开始的布线到生产成需要高级工艺的微小精密的嵌入式芯片,集成电路板内的柔性电路、聚合物和铜的层布式电路都需要钻微孔和切割[17],也包括电路板上材料的修复和检测,常需要用到等微细加工和处理。电路板加工中激光微加工技术显然成为最佳选择。激光在加工过程中,工作机器不与被加工产品接触,有效避免机械作用力,加工迅速,灵活性高,并且对工作场合无需特殊要求,通过对激光参数的精准设置和研究设计,可以达到微米以下量级[18]。电路板上用的比较传统的钻孔方式是利用紫外激光器和 CO2激光器用于非金属打标(波长为 10.6 μm 的 CO2激光器用于非金属材料打标;波长 1064 nm 或者 532 nm 一般用于金属材料打标[19])。目前还是主要采用紫外激光加工技术,可以达到微米级的加工,精确度高,可以制作超细微零器件,可以应用于小于 1 μm 光斑 的激光束的微孔加工。但是 CO2 激光器主要打 75~150 mm 的孔,且小孔易错位,而紫外激光器可以打 25 mm 以下的孔,精度高且不会错位[20]。例如在用紫外飞秒激光“冷”加工覆铜线路板中利用综合平 衡法得到最优工艺参数,再用选择性刻蚀的特性达到高质量、高效率线宽 50 μm、线间距 20 μm 的覆铜 板表面微细线路刻蚀加工[21]如图 4 和图 5 所示。

3.4. 微光元器件的加工和制备

在科学技术和现代工业的快速发展的信息化时代,要达到在更小空间内搭建更多的实验系统并实现 更多的功能,就要加快信息技术的发展更重要的是要制作加工出更小型化、微型化并且仅对材料表面化 学键进行处理[22]的功能齐全的器件。在军事雷达通讯[23]、医学治疗、航空航天和生物化学等领域具有 重要的应用和研究价值。可以在纳米尺度的微光学元件上进行更加深入的切割和优化并研究和开发应用,转变传统的光学元器件功能和特性。微光学元件具有容易批量生产和易于实现阵列化还有简小轻便灵活 等优点,但是它的主要材料是石英玻璃。石英玻璃在应用和处理过程中很容易产生裂纹和凹坑,是一种 硬脆性材料,这就使其光学性能大大减弱。因此,紫外激光的直写“冷”加工技术[24]大大提高了微光学器 件的效率,迅速完成高精度微细结构的微光元器件加工且不伤材料,可以灵活完成大小批量的不同需求 的加工。国外科研机构对紫外紫外加工硅片的研究比较早[25],国内起步较晚随后才对硅片切割技术及切面进行研究[26]。十几年前,张菲等人利用自己研发的紫外全固态激光对微加工系统进行了研究,对相同 材质的三种(0.18 mm、0.38 mm、0.6 mm)的硅片进行优化切割,最小孔径 45 μm,加工精度 20 μm,结果 表明材料没有出现裂痕,激光的热影响较小,飞溅物较少[27]如图 6 所示。

3.5. 紫外激光在半导体产业中的应用

近几年来,紫外激光对半导体材料的微加工受到了越来越多的关注。成千上万的密集电路元件在集 成电路中非常常见,所以就需要一些高精密的处理和加工方法[28],还有一些高精仪器和器件的硅和蓝宝 石等半导体材料等半导体薄膜的精密微加工靠紫外激光且研究薄膜的光谱特性[29],同时紫外激光还可以 加大硅材料对光能的利用率,也可以使得硅表面的微结构发生改变,有利于太阳能电池板的研发,如二 维微光栅等。

2018 年李奇思等人使用 355 nm 全固态紫外激光器对硼硅玻璃表面和雕刻深度、底面光滑度、通道 垂直情况进行研究,实验分析优化加工参数,得到了材料表面损伤小、裂纹少、雕刻深度大、切面垂直 且平整的硼硅玻璃微通道[30]如图 7 所示。

4. 结束语

通过这几十年的发展和研究,紫外激光器的技术和应用越来越广泛和成熟,它最有特点的精细的“冷”加工技术在不改变物体物理性质的同时对表面进行微加工和处理,广泛应用于通讯、光学、军事、刑侦、医疗等各个行业和领域。例如,5G 时代,催生了 FPC 加工市场需求。随着 5G 产业的进一步发展,以及各大电子产品制造商对柔性 OLED 显示屏的追逐,催生了市场对 FPC 柔性线路板的需求迅猛增长,随之而来对紫外激光器的需求也将得到快速增长。这个发展趋势将有望快速促进紫外技术自身的发展,以在功率和脉宽方面实现更大的突破,同时拓展出更多新的应用领域。紫外激光机的应用,让 FPC 等材料的精密冷加工成为可能,而 FPC 的逐步增加,推动了 5G 部署,5G 的低延迟特性,给诸如云技术、物联网、无人驾驶、VR 等新一波的技术发展提供了无限生机。当然这是个相辅相成的概念,新技术新应用也最终会拉动紫外激光的进一步发展。

随着越来越多的新型的倍频晶体和增益介质的出现,越短波长功率越高的紫外激光器将在未来应用于更多的行业,促进各行各业的发展,紫外激光在加工领域更加智能、高效精准、高重复率、高稳定性是未来发展的趋势。

 

【光粒网综合报道】( 责任编辑:xuji )
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