вступ
Зі швидким розвитком технологій виникла потреба в легшому, ефективнішому, меншому, багатофункціональному та високоякісному лазерному обладнанні для електроніки, медичної терапії, біології та матеріалів. В даний час поширені лазери доступні в інфрачервоному та видимому діапазонах. Традиційні лазерні інструменти, процеси та технології страждають від низької ефективності, складної роботи, високої вартості, обмеженого діапазону, великих втрат і низької точності. УФ-лазери неодноразово досліджувалися вченими протягом останніх десятиліть через їхню відносно високу когерентність, зручність, стабільність і надійність, низьку вартість, можливість налаштування, малий розмір, високу ефективність, точність і практичність.
2. УФ-лазери
УФ-лазери в основному поділяються на газові УФ-лазери та твердотільні УФ-лазери. Робоче середовище досягає збудженого стану, поглинаючи зовнішню енергію під дією джерела накачування, і після того, як посилення інверсії числа частинок перевищує втрати, світло посилюється, а частина посиленого світла повертається назад для продовження збудження, таким чином генерування коливань у резонансній порожнині для створення лазера. Газові середовища в основному використовуються в імпульсних або електронно-променевих розрядах, де зіткнення між електронами збуджують частинки газу з низьких енергетичних рівнів на високі рівні енергії, створюючи збуджені стрибки для отримання УФ-лазерів. Тверде середовище — це нелінійний кристал з подвоєнням частоти, який випромінює назовні УФ-лазерне світло після одного або кількох частотних переходів. Ексимерні та повністю твердотільні УФ-лазери зазвичай використовуються для лазерної обробки та обробки.
2.1. Ексимерні лазери
Основними газовими УФ-лазерами є ексимерні лазери, аргонові іонні лазери, азотні молекулярні лазери, фторові молекулярні лазери, гелієво-кадмієві лазери тощо. Ексимерні лазери тощо зазвичай використовуються для лазерної обробки. Ексимерні лазери — газові лазери з ексимером як робочою речовиною. Вони також є імпульсними лазерами і представляють великий дослідницький інтерес з моменту створення першого ексимерного лазера в 1971 році. Ексимер — це нестабільна складна молекула, яка за певних обставин розпадається на атоми. Частота повторення і середня потужність є основою для оцінки ексимерних лазерів. Певна частка рідкісних газів, таких як Ar, Kr і Xe, у суміші з галогенними елементами, такими як F, Cl і Br, є основними робочими речовинами УФ-газових лазерів, які накачуються за допомогою електронних променів або імпульсних розрядів. Коли атоми благородних і рідкісних газів в основному стані збуджуються, електрони за межами ядра таким чином збуджуються на вищі орбіталі, так що зовнішній шар електронів заповнюється та поєднується з іншими атомами, утворюючи квазімолекули, які потім повертаються назад до основний стан і розпадаються на вихідні атоми. Рідкий ксенон був робочою речовиною для перших ексимерних лазерів. Сучасні ексимерні лазери також включають лазер ArF на 193 нм, лазер KrF на 248 нм і лазер XeCl на 308 нм.
2.2. Твердотільні УФ-лазери
Визначними перевагами повністю твердотільних УФ-лазерів є їх зручні невеликі розміри, висока надійність і стабільність роботи. Найбільш часто використовується звичайний кристал Nd:YAG для накачування ЛД, частота якого потім подвоюється.
Основними етапами створення УФ-твердотільного лазера є спочатку накачування джерела світла в лазері на середовище підсилення для досягнення інверсії числа частинок, утворення та коливання основного червоного світла в резонансній порожнині, а потім подвоєння частоти в резонаторі одним або декількома нелінійними кристалами, і, нарешті, вихід потрібного УФ-лазера з резонансної порожнини після передачі та відбиття. Ультрафіолетові твердотільні лазери зазвичай отримують за допомогою методів накачування діодами LD і лампових методів. Повністю твердотільні УФ-лазери — це УФ-твердотільні лазери з LD-накачуванням.
Nd:YAG (легований неодимом ітрій-алюмінієвий гранат) і Nd:YVO4 (легований неодимом ванадат ітрію) є двома найпоширенішими типами кристалів з армованим середовищем. Поширеним методом покращення резонансних порожнин є використання невеликого напівпровідникового лазерного діода LD, який накачується лазерним кристалом Nd:YVO4 на довжині хвилі 808 нм для отримання ближнього інфрачервоного світла на 1064 нм. Порівняно з Nd:YAG, лазерний кристал Nd:YVO4 має більший поперечний переріз підсилення, у чотири рази ніж Nd:YAG, більший коефіцієнт поглинання, у п’ять разів більший, ніж Nd:YAG, і нижчий поріг лазера. Порівняно з Nd:YAG, лазерний кристал Nd:YVO4 має більший поперечний переріз підсилення, у чотири рази ніж Nd:YAG, більший коефіцієнт поглинання, у п’ять разів більший, ніж Nd:YAG, і нижчий поріг лазера. Кристали Nd:YAG мають високу механічну міцність, високу пропускну здатність світла, тривалий термін флуоресценції та не вимагають жорсткого розсіювання тепла та системи охолодження.
3. Застосування УФ-лазерів
Обробка ультрафіолетовим лазером має багато переваг і в даний час є технологією вибору в розробці технологічної інформації. По-перше, УФ-лазер може випромінювати ультракороткі довжини хвилі лазерного світла, яке може точно працювати з наддрібними та тонкими матеріалами; по-друге, «холодна обробка» УФ-лазером не руйнує сам матеріал в цілому, а обробляє лише його поверхню; Крім того, ефект термічного пошкодження практично відсутній. Деякі матеріали не поглинають видиме та інфрачервоне випромінювання ефективно, що робить їх неможливими для обробки. Найбільша перевага ультрафіолетового випромінювання полягає в тому, що практично всі матеріали ширше поглинають ультрафіолетове світло. УФ-лазери, особливо твердотільні УФ-лазери, компактні та малі, прості в обслуговуванні та легкі для виробництва у великих кількостях. УФ-лазери використовуються в широкому діапазоні застосувань у обробці медичних біоматеріалів, криміналістиці у кримінальних справах, інтегральних платах, напівпровідниковій промисловості, мікрооптичних компонентах, хірургії, зв’язку та радарах, а також лазерній обробці та різанні.
3.1. Модифікація властивостей поверхні біологічних матеріалів
У деяких методах лікування багато медичних матеріалів повинні бути сумісними з людською тканиною або навіть відремонтовані, наприклад, ультрафіолетове лазерне лікування внутрішньоочних захворювань та експерименти на рогівці кроликів, які іноді вимагають змін властивостей біологічних білків і біомолекулярних структур. Після налаштування оптимальних параметрів імпульсу ексимерного УФ-лазера дослідники опромінювали поверхню медичних біоматеріалів лазерами на 100 нм, 120 нм і 200 нм відповідно, покращуючи таким чином фізико-хімічну структуру поверхні матеріалу, не змінюючи загальну хімічну структуру матеріалу. матеріалу, а також зробити оброблені органічні біоматеріали значно більш сумісними та гідрофільними з тканинами людини за допомогою порівняльних експериментів з культивованими біологічними клітинами, що дуже допомагає в медичних біологічних застосуваннях.
3.2. У сфері карного розшуку
У сфері кримінального розслідування відбитки пальців використовувалися як важливі біологічні докази, залишені на місці злочину підозрюваними у кримінальних справах, оскільки було виявлено, що відбитки пальців такі ж унікальні, як ДНК. Колись старі методи можуть призвести до пошкодження зразків і ускладнити збір і зберігання експонатів. Поточне дослідження має видатні результати щодо відбитків пальців на поверхні непроникаючих об’єктів, таких як плівка, фотографії, скло тощо. УФ-люмінесцентне зображення" та "УФ-лазерне відбивне зображення" використовуються для спостереження та реєстрації виявлення та збору відбитків пальців за допомогою УФ-лазерного опромінення потенційних відбитків пальців через смугові фільтри при 266 нм і 340 нм відповідно. Сімдесят відсотків із 120 зразків випробувані в експерименті були успішно виявлені.Короткохвильова ультрафіолетова техніка підвищує шанси на успішне виявлення потенційних відбитків пальців, а легкість і швидкість, з якою можна контролювати оптичні властивості, робить її перспективною для використання в науці судових засідань.Плями слини на місці, відлущені клітини, плями крові, волосся з волосяними фолікулами та інші звичайні біологічні зразки можна виявити за допомогою УФ-детектора.Однак, коли короткохвильовий 266 нм УФ-лазер використовувався для опромінення біологічних зразків на фіксованій відстані та протягом різної тривалості, а потім для вилучення ДНК, було виявлено, що короткохвильовий 266 нм УФ-лазер серйозно вплинув на результати ДНК п’яти поширених типів біологічних доказів: відбитків пальців, б плями крові, плями слини, виділені клітини та волосся з волосяними фолікулами, але лише в меншій мірі на виявлення біологічного DAN для волосся, включаючи волосяні фолікули, слину та плями крові. Короткохвильові ультрафіолетові лазери можуть впливати на деякі біоматеріали ДНК, тому метод екстракції слід ретельно вибирати через його доказову цінність під час судово-медичних досліджень.
3.3. Застосування ультрафіолетового лазера на інтегральних платах
Виробництво широкого спектру друкованих плат у промисловості, від початкового підключення до виробництва крихітних точних вбудованих чіпів, які вимагають передових процесів, гнучких схем в інтегральних схемних платах, ламінованих схем у полімерах і міді – все це вимагає свердління та різання мікроотворів, а також ремонт і перевірка матеріалів на дошках, що часто вимагає використання мікровиготовлення та обробки. Безперечно, технологія лазерної мікрообробки є найкращим вибором для обробки друкованих плат. Лазер не контактує з продуктом, який підлягає обробці під час процесу, ефективно уникаючи механічних сил, що забезпечує швидку обробку, високу гнучкість і відсутність особливих вимог до робочого місця, яке може досягати субмікронних величин завдяки точному налаштуванню лазера. параметри та дизайн дослідження. Більш традиційні методи свердління, які використовуються на друкованих платах, — це використання УФ-лазерів і CO2-лазерів для маркування неметалевих матеріалів (CO2-лазери з довжиною хвилі 10,6 мкм використовуються для маркування неметалевих матеріалів; довжини хвиль 1064 нм або 532 нм, як правило, використовується для маркування металевих матеріалів). В даний час все ще в основному використовується технологія ультрафіолетової лазерної обробки, яка може досягти обробки мікронного рівня, високої точності, може виробляти ультратонкі мікро-нульові пристрої, які можуть бути застосовані до плями лазерного променя мікроотвору менше 1 мкм. обробки. Однак CO2-лазери в основному використовуються для отворів від 75 до 150 мм і схильні до зміщення в невеликих отворах, тоді як УФ-лазери можна використовувати для отворів до 25 мм із високою точністю та без зміщення. Наприклад, під час «холодної» обробки обміднених друкованих плат УФ-фемтосекундними лазерами використовується комплексний метод балансування для отримання оптимальних параметрів процесу, а властивості вибіркового травлення потім використовуються для досягнення високої якості та високої ефективності. мікролінійне травлення покритих міддю поверхонь з шириною лінії 50 мкм і кроком лінії 20 мкм.
3.4 Обробка та підготовка мікрооптичних компонентів
В епоху інформаційних технологій і стрімкого розвитку сучасної промисловості необхідність створювати більше експериментальних систем у меншому просторі та досягати більшої кількості функцій вимагає прискореного розвитку інформаційних технологій і, що більш важливо, виробництва менших, мініатюрних і повністю функціональні пристрої, які обробляють лише хімічні зв’язки на поверхні матеріалу. Він має важливе застосування та дослідницьку цінність у сферах військового радіолокаційного зв’язку, медичної терапії, аерокосмічної та біохімії. Можливі більш глибоке різання та оптимізація, а також дослідження та розробка додатків мікрооптичних компонентів на нанорозмірі, трансформуючи функції та властивості традиційних оптичних компонентів. Перевага мікрооптики полягає в тому, що вона проста у масовому виробництві, її легко компонувати, вона мала, легка та гнучка, але основним матеріалом є кварцове скло. Кварцове скло схильне до розтріскування та утворення кратерів під час нанесення та використання, є твердим і крихким матеріалом, що значно погіршує його оптичні властивості. У результаті технологія «холодної» обробки прямого запису УФ-лазера значно підвищила ефективність мікрооптичних пристроїв, уможливлюючи швидку обробку мікрооптичних компонентів із високою точністю та тонкою структурою без пошкодження матеріалу, а також дозволяючи гнучку обробку великі та малі партії з різними вимогами. У той час як іноземні науково-дослідні інститути вивчали УФ-УФ обробку кремнієвих пластин раніше, вітчизняні дослідження технології різання кремнієвих пластин і граней були проведені лише після відносно пізнього початку. Оптимізоване різання трьох кремнієвих пластин з одного матеріалу (0.18 мм, 0.38 мм і 0.6 мм) з мінімальним отвором 45 мкм і точністю обробки 20 мкм, відсутність тріщин у матеріалі, менший термічний вплив лазера та менше бризок.
3.4. Застосування ультрафіолетового лазера в напівпровідниковій промисловості
Останніми роками все більше уваги приділяється мікрообробці напівпровідникових матеріалів за допомогою УФ-лазерів. Тисячі щільних компонентів схем дуже поширені в інтегральних схемах, тому потрібні деякі високоточні методи обробки та обробки, а також деякі високоточні інструменти та пристрої, такі як кремнієві та сапфірові напівпровідникові матеріали та інші напівпровідникові тонкі плівки прецизійної мікрообробки за допомогою УФ-лазер і вивчати спектральні властивості плівки, в той час як УФ-лазер також може збільшити використання світлової енергії кремнієвих матеріалів, але також змінити мікроструктуру поверхні кремнію, що сприяє розробці сонячних панелей, таких як дво- розмірна мікрорешітка тощо.
4. заключні слова
Завдяки десятиліттям розвитку та досліджень технологія та застосування УФ-лазерів набули все більшого поширення та зрілості, а його найхарактерніша технологія тонкої «холодної» обробки мікрообробляє та обробляє поверхні без зміни фізичних властивостей об’єкта. широко використовується в різних галузях і галузях, таких як зв'язок, оптика, військові, кримінальні розслідування та лікування. Ера 5G, наприклад, породжує попит на обробку FPC. З подальшим розвитком індустрії 5G і пошуком гнучких OLED-дисплеїв великими виробниками електроніки попит на гнучкі друковані плати FPC швидко зростає, а разом з ним і попит на УФ-лазери. Сподіваємось, ця тенденція призведе до швидкого розвитку самої УФ-технології для досягнення більших проривів у потужності та ширині імпульсу, а також до нових сфер застосування. Застосування УФ-лазерних машин зробило можливим точну холодну обробку матеріалів, таких як FPC, тоді як поступове збільшення FPC спричинило розгортання 5G, чиї характеристики низької затримки надають необмежені можливості для нових хвиль технологічного розвитку, таких як хмарні технології, Інтернет речей, безпілотність і VR. Це, звичайно, додаткова концепція, і нові технології та застосування з часом сприятимуть подальшому розвитку УФ-лазерів.
Оскільки з’являється все більше і більше нових кристалів із подвоєнням частоти та середовищ підсилення, чим коротша довжина хвилі, тим більша потужність УФ-лазера буде використовуватися в майбутньому в більшій кількості галузей промисловості для сприяння розвитку всіх сфер життя, УФ-лазери в області обробки більш розумний, ефективний і точний, висока частота повторення, висока стабільність - це тенденція майбутнього розвитку.
