Въведение
С бързото развитие на технологиите има нужда от по-леко, по-ефективно, по-малко, многофункционално и висококачествено лазерно оборудване за електроника, медицинска терапия, биология и материали. Понастоящем общоприетите лазери се предлагат в инфрачервени и видими дължини на вълните. Традиционните лазерни инструменти, процеси и технологии страдат от ниска ефективност, сложна работа, високи разходи, ограничен обхват, големи загуби и ниска точност. UV лазерите са многократно изследвани от учените през последните десетилетия за тяхната относително висока кохерентност, удобство, стабилност и надеждност, ниска цена, регулируемост, малък размер, висока ефективност, точност и практичност.
2. UV лазери
UV лазерите се разделят основно на газови UV лазери и твърди UV лазери в твърдо състояние. Работната среда достига възбудено състояние чрез абсорбиране на външна енергия под действието на източника на помпата и след като печалбата от инверсия на броя на частиците е по-голяма от загубата, светлината се усилва и част от усилената светлина се връща обратно, за да продължи възбуждането по този начин генериране на трептене в резонансната кухина за производство на лазера. Газовите среди се използват главно при импулсни разряди или разряди на електронен лъч, където сблъсъците между електрони възбуждат газовите частици от ниски до високи енергийни нива, за да произведат възбудени скокове за получаване на UV лазери. Твърдата среда е нелинеен кристал с удвояване на честотата, който произвежда излъчваща навън UV лазерна светлина след един или повече честотни преходи. Ексимерните и изцяло твърдотелни UV лазери обикновено се използват за лазерна обработка и обработка.
2.1. Ексимерни лазери
Основните газови UV лазери са ексимерни лазери, аргонови йонни лазери, азотни молекулярни лазери, флуорни молекулярни лазери, хелиево-кадмиеви лазери и т.н. Ексимерните лазери и т.н. обикновено се използват за лазерна обработка. Ексимерните лазери са газови лазери с ексимер като работно вещество. Те също са импулсни лазери и представляват голям изследователски интерес от създаването на първия ексимерен лазер през 1971 г. Ексимерът е нестабилна съставна молекула, която се разпада на атоми при определени обстоятелства. Честотата на повторение и средната мощност са основата за оценка на ексимерните лазери. Определена част от редки газове като Ar, Kr и Xe, смесени с халогенни елементи като F, Cl и Br, са основните работни вещества на UV газовите лазери, които се изпомпват с помощта на електронни лъчи или импулсни разряди. Когато атоми на благородни и редки газове в основно състояние се възбуждат, електроните извън ядрото се възбуждат към по-високи орбитали, така че най-външният електронен слой се запълва и комбинира с други атоми, за да образуват квазимолекули, които след това скачат обратно към основно състояние и се разпада на оригиналните атоми. Течният ксенон беше работното вещество за ранните ексимерни лазери. Днешните ексимерни лазери също включват ArF лазер при 193 nm, KrF лазер при 248 nm и XeCl лазер при 308 nm.
2.2. Твърдотелни UV лазери
Изключителните предимства на изцяло твърдотелните UV лазери са техният удобен малък размер, висока надеждност и оперативна стабилност. Най-често използваният е обичайният Nd:YAG кристал за LD изпомпване, който след това се удвоява честотата.
Основните стъпки в генерирането на UV твърдотелен лазер са първо изпомпването на светлинния източник в лазера върху усилващата среда, за да се постигне инверсия на броя на частиците, формирането и осцилацията на основната червена светлина в резонансната кухина, след това удвояване на честотата в кухината от един или повече нелинейни кристали и накрая изхода на желания UV лазер от резонансната кухина след предаване и отражение. UV твърдотелни лазери обикновено се получават чрез използване на методи за изпомпване с LD диод и изпомпване с лампа. Изцяло твърдотелните UV лазери са LD-изпомпвани UV твърдотелни лазери.
Nd:YAG (итриев алуминиев гранат с добавка на неодим) и Nd:YVO4 (итриев ванадат с добавка на неодим) са два от най-често срещаните видове кристали с подсилена среда. Често срещан метод за подобряване на резонансните кухини е използването на малък полупроводников лазерен диод LD, изпомпван с лазерен кристал Nd:YVO4 при дължина на вълната 808 nm, за да се произведе близка инфрачервена светлина при 1064 nm. В сравнение с Nd:YAG, лазерният кристал Nd:YVO4 има по-голямо напречно сечение на усилване, четири пъти по-голямо от това на Nd:YAG, по-голям коефициент на поглъщане, пет пъти по-голям от този на Nd:YAG, и по-нисък лазерен праг. В сравнение с Nd:YAG, лазерният кристал Nd:YVO4 има по-голямо напречно сечение на усилване, четири пъти по-голямо от това на Nd:YAG, по-голям коефициент на поглъщане, пет пъти по-голям от този на Nd:YAG, и по-нисък лазерен праг. Кристалите Nd:YAG имат висока механична якост, висока пропускливост на светлина, дълъг живот на флуоресценция и не изискват силно разсейване на топлината и система за охлаждане.
3. Приложения на UV лазери
UV лазерната обработка има много предимства и в момента е предпочитаната технология при разработването на технологична информация. Първо, UV лазерът може да излъчва лазерна светлина с ултра-къси дължини на вълните, които могат да се справят точно с ултра-малки и фини материали; второ, "студената обработка" на UV лазера не разрушава самия материал като цяло, а само обработва повърхността му; освен това по същество няма ефект от термично увреждане. Някои материали не абсорбират ефективно видимите и инфрачервените лазери, което ги прави невъзможни за обработка. Най-голямото предимство на UV е, че по принцип всички материали абсорбират UV светлината по-широко. UV лазерите, особено UV лазерите в твърдо състояние, са компактни и малки, лесни за поддръжка и лесни за производство в големи количества. UV лазерите се използват в широк спектър от приложения при обработката на медицински биоматериали, криминалистика в наказателни дела, интегрални платки, полупроводниковата индустрия, микрооптични компоненти, хирургия, комуникации и радар, както и лазерна обработка и рязане.
3.1. Модификация на повърхностните свойства на биологични материали
При някои лечения много медицински материали трябва да бъдат съвместими с човешка тъкан или дори ремонтирани, като ултравиолетово лазерно лечение на вътреочни заболявания и експерименти върху заешки роговици, които понякога изискват промени в свойствата на биологичния протеин и биомолекулните структури. След регулиране на оптималните импулсни параметри на ексимерния UV лазер, експериментаторите облъчиха повърхността на медицинските биоматериали съответно със 100 nm, 120 nm и 200 nm лазери, като по този начин подобриха физикохимичната структура на повърхността на материала и не промениха цялостната химическа структура на материала и правене на третираните органични биоматериали значително по-съвместими и хидрофилни с човешките тъкани чрез сравнителни експерименти с култивирани биологични клетки, което е от голяма помощ при медицински биологични приложения.
3.2. В областта на криминалното разследване
В областта на криминалното разследване пръстовите отпечатъци се използват като важно биологично доказателство, оставено на местопрестъплението от заподозрени в криминални дела, откакто беше открито, че пръстовите отпечатъци са уникални като ДНК. Някога старите методи могат да доведат до повреда на пробите и да затруднят събирането и съхраняването на експонати. Настоящото изследване има изключителни резултати за повърхностни отпечатъци от непроникващи обекти, като например ленти, снимки, стъкло и др. UV луминесцентно изображение" и "UV лазерно отразяващо изображение" се използват за наблюдение и записване на откриването и събирането на пръстови отпечатъци чрез UV лазерно облъчване на потенциални пръстови отпечатъци през лентови филтри съответно при 266 nm и 340 nm. Седемдесет процента от 120-те проби Тестваните в експеримента бяха успешно открити. Техниката с UV къси вълни увеличава степента на успеваемост на потенциални пръстови отпечатъци, а лекотата и скоростта, с които оптичните свойства могат да се контролират, я прави обещаваща за използване в съдебната наука.Петна от слюнка на място, ексфолирани клетки, петна от кръв, коса с космени фоликули и други обичайни биологични проби могат да бъдат открити с UV откриване.Въпреки това, когато късовълновият 266 nm UV лазер се използва за облъчване на биологични проби на фиксирано разстояние и с различна продължителност и след това за извличане ДНК, беше установено, че късовълновият 266 nm UV лазер има сериозен ефект върху резултатите от ДНК на пет често срещани вида биологични доказателства: пръстови отпечатъци, б петна от кръв, петна от слюнка, отделени клетки и коса с космени фоликули, но само в по-малка степен върху откриването на биологичен DAN за коса, включително космени фоликули, слюнка и петна от кръв. Късовълновите UV лазери могат да повлияят на някои ДНК биоматериали, така че методът на екстракция трябва да бъде внимателно избран поради неговата доказателствена стойност по време на криминалистични разследвания.
3.3. UV лазерни приложения върху интегрални платки
Производството на широка гама от печатни платки в промишлеността, от първоначалното окабеляване до производството на малки прецизни вградени чипове, изискващи усъвършенствани процеси, гъвкави схеми в рамките на интегрални платки, ламинирани схеми в полимери и мед, всички изискват пробиване и рязане на микроотвори, както и ремонт и проверка на материалите на дъските, често изискващи използването на микропроизводство и обработка. Технологията за лазерна микрообработка очевидно е най-добрият избор за обработка на печатни платки. Лазерът не влиза в контакт с продукта, който ще се обработва по време на процеса, като ефективно избягва механичните сили, което води до бърза обработка, висока гъвкавост и липса на специални изисквания за работното място, което може да достигне субмикронни величини чрез прецизната настройка на лазера параметри и дизайн на изследването. По-традиционните методи за пробиване, използвани в печатни платки, са използването на UV лазери и CO2 лазери за неметално маркиране (CO2 лазери с дължина на вълната от 10,6 μm се използват за маркиране на неметални материали; дължини на вълните от 1064 nm или 532 nm обикновено са използвани за маркиране на метални материали). Понастоящем все още се използва предимно технология за UV лазерна обработка, която може да постигне обработка на микронно ниво, висока точност, може да произвежда ултра фини микро-нулеви устройства, може да се приложи към по-малко от 1 μm петно от лазерния лъч на микродупка обработка. Въпреки това CO2 лазерите се използват главно за отвори между 75 и 150 mm и са склонни към неправилно подравняване в малки отвори, докато UV лазерите могат да се използват за отвори до 25 mm с висока точност и без разместване. Например, при "студената" обработка на платки с медно покритие с UV фемтосекундни лазери се използва цялостен метод за балансиране, за да се получат оптималните параметри на процеса, а свойствата за селективно ецване след това се използват за постигане на високо качество и висока ефективност микролинейно ецване на медни повърхности с ширина на линията 50 μm и стъпка на линията 20 μm.
3.4 Обработка и подготовка на микрооптични компоненти
В ерата на информационните технологии и бързото развитие на съвременната индустрия, необходимостта от изграждане на повече експериментални системи в по-малко пространство и постигане на повече функции изисква ускорено развитие на информационните технологии и, което е по-важно, производството на по-малки, миниатюризирани и напълно функционални устройства, които обработват само химическите връзки на повърхността на материала. Той има важни приложения и изследователска стойност в областта на военната радарна комуникация, медицинската терапия, аерокосмическата и биохимията. Възможни са по-задълбочено рязане и оптимизация, както и изследвания и разработки на приложения върху микрооптични компоненти в наноразмер, трансформиращи функциите и свойствата на традиционните оптични компоненти. Микрооптиката има предимството, че е лесна за масово производство, лесна за подреждане, малка, лека и гъвкава, но основният материал е кварцово стъкло. Кварцовото стъкло е склонно към напукване и образуване на кратери по време на нанасяне и боравене и е твърд и чуплив материал, което значително намалява неговите оптични свойства. В резултат на това технологията за „студена“ обработка на UV лазера с директно писане значително подобри ефективността на микрооптичните устройства, позволявайки бърза обработка на микрооптични компоненти с висока прецизност и фина структура, без да се поврежда материалът, и позволява гъвкава обработка на големи и малки партиди с различни изисквания. Докато чуждестранни изследователски институти са изучавали UV-UV обработката на силициеви пластини по-рано, вътрешните изследвания върху технологията и фасетите за рязане на силициеви пластини са проведени едва след сравнително късно начало. Оптимизирано рязане на три силициеви пластини от един и същи материал (0.18 mm, 0.38 mm и 0.6 mm) с минимален отвор от 45 μm и точност на обработка от 20 μm, без пукнатини в материала, по-малко термично влияние на лазера и по-малко пръски.
3.4. Приложения на UV лазер в полупроводниковата индустрия
Микрообработката на полупроводникови материали с UV лазери привлича все по-голямо внимание през последните години. Хиляди компоненти на плътни вериги са много често срещани в интегралните схеми, така че са необходими някои високопрецизни методи за обработка и обработка, както и някои високопрецизни инструменти и устройства като силициеви и сапфирени полупроводникови материали и други полупроводникови тънки слоеве на прецизна микрообработка от UV лазер и изследване на спектралните свойства на филма, докато UV лазерът може също така да увеличи използването на светлинна енергия от силициеви материали, но също така да направи промени в микроструктурата на силициевата повърхност, което е благоприятно за разработването на слънчеви панели, като дву- размерна микрорешетка и др.
4. заключителни бележки
Чрез десетилетия на развитие и изследвания технологията и приложенията на UV лазерите стават все по-разпространени и зрели, а най-характерната технология за фина "студена" обработка микрообработва и третира повърхности, без да променя физическите свойства на обекта, и е широко използвани в различни индустрии и области като комуникации, оптика, военни, криминални разследвания и медицинско лечение. Ерата на 5G, например, генерира търсене на FPC обработка. С по-нататъшното развитие на 5G индустрията и преследването на гъвкави OLED дисплеи от големите производители на електроника, търсенето на FPC гъвкави платки расте бързо, а с него и търсенето на UV лазери. Тази тенденция се надяваме да доведе до бързо развитие на самата UV технология за постигане на по-големи пробиви в мощността и ширината на импулса, както и до нови области на приложение. Прилагането на UV лазерни машини направи възможна прецизната студена обработка на материали като FPC, докато постепенното увеличаване на FPC доведе до внедряването на 5G, чиито характеристики с ниска латентност предоставят неограничени възможности за нови вълни на технологично развитие като облачна технология, Интернет на нещата, без шофьор и VR. Това разбира се е допълваща концепция и новите технологии и приложения в крайна сметка ще стимулират по-нататъшното развитие на UV лазерите.
Тъй като се появяват все повече и повече нови кристали за удвояване на честотата и медии за усилване, колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-висока мощност на UV лазера ще се използва в бъдеще в повече индустрии за насърчаване на развитието на всички сфери на живота, UV лазери в областта на обработката по-интелигентни, ефективни и точни, висока честота на повторение, висока стабилност е тенденцията на бъдещото развитие.
