Invoering
Met de snelle ontwikkeling van technologie is er behoefte aan lichtere, efficiëntere, kleinere, multifunctionele en hoogwaardige laserapparatuur voor elektronica, medische therapie, biologie en materialen. Momenteel zijn gewone lasers beschikbaar in infrarode en zichtbare golflengten. Traditionele lasertools, -processen en -technologieën hebben te lijden van lage efficiëntie, complexe bediening, hoge kosten, beperkt bereik, ernstige verliezen en lage nauwkeurigheid. UV-lasers zijn de afgelopen decennia herhaaldelijk door wetenschappers onderzocht vanwege hun relatief hoge coherentie, gemak, stabiliteit en betrouwbaarheid, lage kosten, afstembaarheid, kleine afmetingen, hoge efficiëntie, nauwkeurigheid en bruikbaarheid.
2. UV-lasers
UV-lasers worden hoofdzakelijk onderverdeeld in gas-UV-lasers en vaste UV-vastestoflasers. Het werkmedium bereikt een aangeslagen toestand door externe energie te absorberen onder invloed van de pompbron, en nadat de inversie van het deeltjesaantal groter is dan het verlies, wordt het licht versterkt en wordt een deel van het versterkte licht teruggevoerd om de excitatie voort te zetten. het genereren van oscillatie in de resonantieholte om de laser te produceren. Gasmedia worden voornamelijk gebruikt in gepulseerde of elektronenstraalontladingen, waarbij de botsingen tussen elektronen de gasdeeltjes van lage energieniveaus naar hoge energieniveaus exciteren om opgewonden sprongen te produceren om UV-lasers te verkrijgen. Het vaste medium is een niet-lineair frequentieverdubbelingskristal dat naar buiten uitstralend UV-laserlicht produceert na een of meer frequentieovergangen. Excimer en all-solid-state UV-lasers worden vaak gebruikt voor laserverwerking en -behandeling.
2.1. Excimer lasers
De belangrijkste gas-UV-lasers zijn excimeerlasers, argon-ionlasers, stikstofmoleculaire lasers, fluormoleculaire lasers, helium-cadmiumlasers, enz. Excimerlasers enz. worden vaak gebruikt voor laserverwerking. Excimerlasers zijn gaslasers met excimeer als werksubstantie. Het zijn ook gepulseerde lasers en zijn van groot onderzoeksbelang geweest sinds de eerste excimeerlaser in 1971 werd gemaakt. Excimeer is een onstabiel samengesteld molecuul dat onder bepaalde omstandigheden in atomen uiteenvalt. Herhalingsfrequentie en gemiddeld vermogen vormen de basis voor het beoordelen van excimerlasers. Een bepaald deel van edelgassen zoals Ar, Kr en Xe gemengd met halogeenelementen zoals F, Cl en Br zijn de belangrijkste werkstoffen van UV-gaslasers, die worden gepompt door middel van elektronenstralen of gepulseerde ontladingen. Wanneer atomen van edelgassen en edelgassen in de grondtoestand worden geëxciteerd, worden de elektronen buiten de kern dus geëxciteerd naar hogere orbitalen, zodat de buitenste elektronenlaag wordt gevuld en gecombineerd met andere atomen om quasi-moleculen te vormen, die vervolgens terugspringen naar de grondtoestand en uiteenvallen in de oorspronkelijke atomen. Vloeibaar xenon was de werkstof voor de vroege excimerlasers. De huidige excimerlasers omvatten ook de ArF-laser bij 193 nm, de KrF-laser bij 248 nm en de XeCl-laser bij 308 nm.
2.2. Solid-state UV-lasers
De opmerkelijke voordelen van all-solid-state UV-lasers zijn hun handige kleine formaat, hoge betrouwbaarheid en operationele stabiliteit. De meest gebruikte is het gebruikelijke Nd:YAG-kristal voor LD-pompen, dat vervolgens in frequentie wordt verdubbeld.
De belangrijkste stappen bij het genereren van een UV-vastestoflaser zijn eerst het pompen van de lichtbron in de laser op het versterkermedium om het aantal deeltjes inversie te bereiken, de vorming en oscillatie van het fundamentele rode licht in de resonantieholte, vervolgens de verdubbeling van de frequentie in de holte door een of meer niet-lineaire kristallen, en tenslotte de output van de gewenste UV-laser uit de resonantieholte na transmissie en reflectie. UV-lasers in vaste toestand worden meestal verkregen door gebruik te maken van LD-diodepomp- en lamppompmethoden. All-solid-state UV-lasers zijn LD-gepompte UV-solid-state lasers.
Nd:YAG (neodymium gedoteerd yttrium aluminium granaat) en Nd:YVO4 (neodymium gedoteerd yttrium vanadaat) zijn twee van de meest voorkomende soorten versterkte media kristallen. Een gebruikelijke methode voor het verbeteren van resonantieholtes is het gebruik van een kleine halfgeleiderlaserdiode LD, gepompt met een Nd:YVO4-laserkristal met een golflengte van 808 nm om nabij-infraroodlicht te produceren bij 1064 nm. Vergeleken met Nd:YAG heeft het Nd:YVO4-laserkristal een grotere versterkingsdoorsnede, vier keer die van Nd:YAG, een grotere absorptiecoëfficiënt, vijf keer die van Nd:YAG en een lagere laserdrempel. Vergeleken met Nd:YAG heeft het Nd:YVO4-laserkristal een grotere versterkingsdoorsnede, vier keer die van Nd:YAG, een grotere absorptiecoëfficiënt, vijf keer die van Nd:YAG en een lagere laserdrempel. Nd:YAG-kristallen hebben een hoge mechanische sterkte, een hoge lichttransmissie, een lange fluorescentielevensduur en vereisen geen hard warmteafvoer- en koelsysteem.
3. Toepassingen van UV-lasers
UV-laserverwerking heeft veel voordelen en is momenteel de technologie bij uitstek bij de ontwikkeling van technologische informatie. Ten eerste kan de UV-laser ultrakorte golflengten van laserlicht produceren, wat precies kan omgaan met ultrakleine en fijne materialen; ten tweede vernietigt de "koude behandeling" van de UV-laser het materiaal zelf niet als geheel, maar behandelt alleen het oppervlak; verder is er in principe geen effect van thermische schade. Sommige materialen absorberen zichtbare en infrarood lasers niet goed, waardoor ze niet te verwerken zijn. Het grootste voordeel van UV is dat in principe alle materialen UV-licht breder absorberen. UV-lasers, met name solid-state UV-lasers, zijn compact en klein, eenvoudig te onderhouden en gemakkelijk in grote hoeveelheden te produceren. UV-lasers worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen bij de verwerking van medische biomaterialen, forensisch onderzoek in strafzaken, geïntegreerde printplaten, de halfgeleiderindustrie, micro-optische componenten, chirurgie, communicatie en radar, en laserverwerking en -snijden.
3.1. Wijziging van oppervlakte-eigenschappen van biologische materialen
Bij sommige behandelingen moeten veel medische materialen compatibel zijn met menselijk weefsel of zelfs gerepareerd worden, zoals behandeling met ultraviolette laser van intraoculaire ziekten en experimenten op konijnenhoornvliezen die soms veranderingen in biologische eiwiteigenschappen en biomoleculaire structuren vereisen. Na het aanpassen van de optimale pulsparameters van de excimer UV-laser, bestraalden de experimentatoren vervolgens het oppervlak van medische biomaterialen met respectievelijk 100 nm, 120 nm en 200 nm lasers, waardoor de fysisch-chemische structuur van het materiaaloppervlak werd verbeterd en de algehele chemische structuur van het materiaal niet werd veranderd. het materiaal, en het aanzienlijk beter verenigbaar en hydrofiel maken van de behandelde organische biomaterialen met menselijke weefsels door vergelijkende experimenten met gekweekte biologische cellen, wat van grote hulp is bij medisch-biologische toepassingen.
3.2. Op het gebied van strafrechtelijk onderzoek
Op het gebied van strafrechtelijk onderzoek worden vingerafdrukken gebruikt als belangrijk biologisch bewijsmateriaal dat verdachten in strafzaken op de plaats delict hebben achtergelaten sinds werd ontdekt dat vingerafdrukken even uniek zijn als DNA. Ooit kunnen oude methoden leiden tot monsterbeschadiging en het verzamelen en opslaan van expositiestukken bemoeilijken. Het huidige onderzoek heeft uitstekende resultaten opgeleverd voor niet-penetrerende vingerafdrukken op het oppervlak van objecten, zoals tape, foto's, glas, enz. verschijningen. UV-luminescentiebeeldvorming" en "UV-laserreflectiebeeldvorming" worden gebruikt om de detectie en verzameling van vingerafdrukken door UV-laserbestraling van potentiële vingerafdrukken te observeren en vast te leggen via banddoorlaatfilters bij respectievelijk 266 nm en 340 nm. Zeventig procent van de 120 monsters getest in het experiment werden met succes gedetecteerd. De UV-kortegolftechniek verhoogt het slagingspercentage van potentiële vingerafdrukken, en het gemak en de snelheid waarmee de optische eigenschappen kunnen worden gecontroleerd, maakt het veelbelovend voor gebruik in de rechtszaalwetenschap. geëxfolieerde cellen, bloedvlekken, haar met haarzakjes en andere veelvoorkomende biologische monsters kunnen worden gedetecteerd met UV-detectie. Wanneer de kortegolf 266 nm UV-laser echter werd gebruikt om biologische monsters op een vaste afstand en met verschillende duur te bestralen en vervolgens te extraheren DNA, bleek dat de kortegolf 266 nm UV-laser een ernstig effect had op de DNA-resultaten van vijf veelvoorkomende soorten biologisch bewijs: vingerafdrukken, b bloedvlekken, speekselvlekken, vervellingscellen en haar met haarzakjes, maar alleen in mindere mate op de detectie van biologisch DAN voor haar inclusief haarzakjes, speeksel en bloedvlekken. Kortegolf UV-lasers kunnen sommige DNA-biomaterialen aantasten, dus de extractiemethode moet zorgvuldig worden gekozen vanwege de bewijskracht tijdens forensisch onderzoek.
3.3. UV-lasertoepassingen op geïntegreerde printplaten
De productie van een breed scala aan printplaten in de industrie, van de initiële bedrading tot de productie van kleine, met precisie ingebedde chips die geavanceerde processen vereisen, flexibele circuits in geïntegreerde printplaten, gelamineerde circuits in polymeren en koper, allemaal vereisen het boren en snijden van microgaten, evenals de reparatie en inspectie van materialen op de platen, waarvoor vaak microfabricage en verwerking nodig zijn. Lasermicrobewerkingstechnologie is duidelijk de beste keuze voor de verwerking van printplaten. De laser komt tijdens het proces niet in contact met het te verwerken product, waardoor mechanische krachten effectief worden vermeden, wat resulteert in een snelle verwerking, hoge flexibiliteit en geen speciale vereisten voor de werkplek, die submicron-magnitudes kunnen bereiken door de nauwkeurige instelling van de laser parameters en onderzoeksopzet. De meer traditionele boormethoden die op printplaten worden gebruikt, zijn het gebruik van UV-lasers en CO2-lasers voor niet-metalen markering (CO2-lasers met een golflengte van 10,6 m worden gebruikt voor het markeren van niet-metalen materialen; golflengten van 1064 nm of 532 nm zijn over het algemeen gebruikt voor het markeren van metalen materialen). Op dit moment wordt UV-laserverwerkingstechnologie nog steeds voornamelijk gebruikt, die verwerking op micronniveau, hoge nauwkeurigheid kan bereiken, ultrafijne micro-nul-apparaten kan produceren, kan worden toegepast op minder dan 1 m-plek van de laserstraal van micro-gat verwerken. CO2-lasers worden echter voornamelijk gebruikt voor gaten tussen 75 en 150 mm en zijn gevoelig voor foutieve uitlijning in kleine gaten, terwijl UV-lasers kunnen worden gebruikt voor gaten tot 25 mm met een hoge nauwkeurigheid en geen uitlijning. Bij de "koude" verwerking van met koper beklede printplaten met UV-femtosecondelasers wordt bijvoorbeeld een uitgebreide balanceringsmethode gebruikt om de optimale procesparameters te verkrijgen, en de selectieve etseigenschappen worden vervolgens gebruikt om hoogwaardige, zeer efficiënte microlijnetsen van met koper beklede oppervlakken met een lijnbreedte van 50 m en een lijnafstand van 20 m.
3.4 Verwerking en voorbereiding van micro-optische componenten
In het tijdperk van informatietechnologie en de snelle ontwikkeling van de moderne industrie, vereist de noodzaak om meer experimentele systemen te bouwen in een kleinere ruimte en om meer functies te bereiken de versnelde ontwikkeling van informatietechnologie en, belangrijker nog, de productie van kleinere, geminiaturiseerde en volledig functionele apparaten die alleen de chemische bindingen op het oppervlak van het materiaal verwerken. Het heeft belangrijke toepassingen en onderzoekswaarde op het gebied van militaire radarcommunicatie, medische therapie, ruimtevaart en biochemie. Meer diepgaand snijden en optimaliseren en onderzoek en ontwikkeling van toepassingen op micro-optische componenten op nanoschaal zijn mogelijk, waardoor de functies en eigenschappen van traditionele optische componenten worden getransformeerd. Micro-optieken hebben het voordeel dat ze gemakkelijk in massa kunnen worden geproduceerd, gemakkelijk te rangschikken, klein, licht en flexibel zijn, maar het belangrijkste materiaal is kwartsglas. Kwartsglas is gevoelig voor barsten en kraters tijdens het aanbrengen en hanteren en is een hard en bros materiaal, dat de optische eigenschappen aanzienlijk vermindert. Dientengevolge heeft de direct schrijvende "koude" verwerkingstechnologie van de UV-laser de efficiëntie van micro-optische apparaten aanzienlijk verbeterd, waardoor de snelle verwerking van micro-optische componenten met hoge precisie en fijne structuur mogelijk is zonder het materiaal te beschadigen, en flexibele verwerking van grote en kleine partijen met verschillende eisen. Terwijl buitenlandse onderzoeksinstituten eerder de UV-UV-verwerking van siliciumwafels hebben bestudeerd, werd binnenlands onderzoek naar de snijtechnologie en facetten van siliciumwafels pas na een relatief late start uitgevoerd. Geoptimaliseerd snijden van drie siliciumwafels van hetzelfde materiaal (0,18 mm, 0,38 mm en 0,6 mm) met een minimale opening van 45 m en een bewerkingsnauwkeurigheid van 20 m, vertoont geen scheuren in het materiaal, minder thermische invloed van de laser en minder spatten.
3.4. UV-lasertoepassingen in de halfgeleiderindustrie
Microbewerking van halfgeleidermaterialen met UV-lasers krijgt de laatste jaren steeds meer aandacht. Duizenden dichte circuitcomponenten zijn heel gebruikelijk in geïntegreerde schakelingen, dus er zijn enkele zeer nauwkeurige hanterings- en verwerkingsmethoden vereist, evenals enkele zeer nauwkeurige instrumenten en apparaten zoals silicium- en saffierhalfgeleidermaterialen en andere dunne halfgeleiderfilms van nauwkeurige microverwerking door UV-laser en bestudeer de spectrale eigenschappen van de film, terwijl de UV-laser ook het gebruik van lichtenergie van siliciummaterialen kan verhogen, maar ook de microstructuur van het siliciumoppervlak kan veranderen, wat bevorderlijk is voor de ontwikkeling van zonnepanelen, zoals twee- dimensionale micro-grating, enz.
4. afsluitende opmerkingen
Door decennia van ontwikkeling en onderzoek zijn de technologie en toepassingen van UV-lasers meer en meer wijdverspreid en volwassen geworden, en de meest karakteristieke fijne "koude" verwerkingstechnologie micro-process en behandelt oppervlakken zonder de fysieke eigenschappen van het object te veranderen, en is veel gebruikt in verschillende industrieën en gebieden, zoals communicatie, optica, leger, strafrechtelijk onderzoek en medische behandeling. Het 5G-tijdperk genereert bijvoorbeeld vraag naar FPC-verwerking. Met de verdere ontwikkeling van de 5G-industrie en het streven naar flexibele OLED-schermen door grote elektronicafabrikanten, groeit de vraag naar flexibele FPC-printplaten snel, en daarmee ook de vraag naar UV-lasers. Deze trend zal hopelijk leiden tot een snelle ontwikkeling van de UV-technologie zelf om grotere doorbraken in vermogen en pulsbreedte te bereiken, evenals tot nieuwe toepassingsgebieden. De toepassing van UV-lasermachines heeft nauwkeurige koude verwerking van materialen zoals FPC mogelijk gemaakt, terwijl de geleidelijke toename van FPC de inzet van 5G heeft gestimuleerd, waarvan de lage latentiekenmerken onbeperkte mogelijkheden bieden voor nieuwe golven van technologische ontwikkeling zoals cloudtechnologie, de Internet of Things, driverlessness en VR. Dit is natuurlijk een complementair concept en nieuwe technologieën en toepassingen zullen uiteindelijk de verdere ontwikkeling van UV-lasers stimuleren.
Naarmate er meer en meer nieuwe frequentieverdubbelingskristallen en versterkingsmedia verschijnen, hoe korter de golflengte, hoe hoger het vermogen van de UV-laser in de toekomst in meer industrieën zal worden gebruikt om de ontwikkeling van alle lagen van de bevolking te bevorderen, UV-lasers in het verwerkingsveld intelligenter, efficiënter en nauwkeuriger, hoge herhalingssnelheid, hoge stabiliteit is de trend van toekomstige ontwikkeling.
