introduzione
Con il rapido sviluppo della tecnologia, sono necessarie apparecchiature laser più leggere, più efficienti, più piccole, multifunzionali e di alta qualità per l'elettronica, la terapia medica, la biologia e i materiali. Attualmente i laser comuni sono disponibili nelle lunghezze d'onda dell'infrarosso e del visibile. Gli strumenti, i processi e le tecnologie laser tradizionali soffrono di bassa efficienza, operazioni complesse, costi elevati, portata limitata, gravi perdite e bassa precisione. I laser UV sono stati ripetutamente ricercati dagli scienziati negli ultimi decenni per la loro coerenza, praticità, stabilità e affidabilità relativamente elevate, basso costo, sintonizzabilità, dimensioni ridotte, alta efficienza, precisione e praticità.
2. Laser UV
I laser UV si dividono principalmente in laser UV a gas e laser a stato solido UV solido. Il mezzo di lavoro raggiunge uno stato eccitato assorbendo energia esterna sotto l'azione della sorgente della pompa, e dopo che il guadagno di inversione del numero di particelle è maggiore della perdita, la luce viene amplificata e parte della luce amplificata viene restituita per continuare l'eccitazione in tal modo generando oscillazioni nella cavità risonante per produrre il laser. I mezzi gassosi vengono utilizzati principalmente nelle scariche pulsate o di fasci di elettroni, dove le collisioni tra gli elettroni eccitano le particelle di gas da livelli di energia bassi a livelli di energia elevati per produrre salti eccitati per ottenere laser UV. Il mezzo solido è un cristallo di raddoppio della frequenza non lineare che produce luce laser UV che si irradia verso l'esterno dopo una o più transizioni di frequenza. I laser UV ad eccimeri e tutto allo stato solido sono comunemente usati per la lavorazione e la manipolazione laser.
2.1. Laser ad eccimeri
I principali laser UV a gas sono laser a eccimeri, laser a ioni di argon, laser molecolari all'azoto, laser molecolari al fluoro, laser a elio cadmio, ecc. I laser a eccimeri ecc. sono comunemente usati per la lavorazione laser. I laser ad eccimeri sono laser a gas con eccimeri come sostanza di lavoro. Sono anche laser pulsati e sono stati di grande interesse per la ricerca sin dalla creazione del primo laser ad eccimeri nel 1971. L'eccimero è una molecola composta instabile che si scompone in atomi in determinate circostanze. La frequenza di ripetizione e la potenza media sono la base per giudicare i laser ad eccimeri. Una certa proporzione di gas rari come Ar, Kr e Xe mescolati con elementi alogeni come F, Cl e Br sono le principali sostanze di lavoro dei laser a gas UV, che vengono pompati per mezzo di fasci di elettroni o scariche pulsate. Quando gli atomi di gas nobili e rari allo stato fondamentale vengono eccitati, gli elettroni al di fuori del nucleo vengono quindi eccitati ad orbitali superiori in modo che lo strato di elettroni più esterno venga riempito e combinato con altri atomi per formare quasi-molecole, che poi ritornano allo stato fondamentale e si rompono negli atomi originali. Lo xeno liquido era la sostanza di lavoro per i primi laser ad eccimeri. I laser ad eccimeri di oggi includono anche il laser ArF a 193 nm, il laser KrF a 248 nm e il laser XeCl a 308 nm.
2.2. Laser UV a stato solido
Gli eccezionali vantaggi dei laser UV a stato solido sono le loro dimensioni ridotte, l'elevata affidabilità e la stabilità operativa. Il più comunemente usato è il solito cristallo Nd:YAG per il pompaggio LD, che viene quindi raddoppiato in frequenza.
I passaggi principali nella generazione di un laser a stato solido UV sono in primo luogo il pompaggio della sorgente luminosa nel laser sul mezzo intensificatore per ottenere l'inversione del numero di particelle, la formazione e l'oscillazione della luce rossa fondamentale nella cavità risonante, quindi il il raddoppio della frequenza nella cavità di uno o più cristalli non lineari e infine l'uscita del laser UV desiderato dalla cavità risonante dopo la trasmissione e la riflessione. I laser a stato solido UV sono generalmente ottenuti utilizzando metodi di pompaggio a diodi LD e pompaggio di lampade. I laser UV a stato solido sono laser UV a stato solido con pompa LD.
Nd:YAG (granato di ittrio e alluminio drogato con neodimio) e Nd:YVO4 (vanadato di ittrio drogato con neodimio) sono due dei tipi più comuni di cristalli di supporto rinforzato. Un metodo comune per migliorare le cavità risonanti consiste nell'utilizzare un piccolo diodo laser a semiconduttore LD pompato con un cristallo laser Nd:YVO4 a una lunghezza d'onda di 808 nm per produrre luce nel vicino infrarosso a 1064 nm. Rispetto a Nd:YAG, il cristallo laser Nd:YVO4 ha una sezione d'urto di guadagno maggiore, quattro volte quella di Nd:YAG, un coefficiente di assorbimento maggiore, cinque volte quello di Nd:YAG e una soglia laser inferiore. Rispetto a Nd:YAG, il cristallo laser Nd:YVO4 ha una sezione d'urto di guadagno maggiore, quattro volte quella di Nd:YAG, un coefficiente di assorbimento maggiore, cinque volte quello di Nd:YAG e una soglia laser inferiore. I cristalli Nd:YAG hanno un'elevata resistenza meccanica, un'elevata trasmissione della luce, una lunga durata della fluorescenza e non richiedono una dissipazione del calore e un sistema di raffreddamento difficili.
3. Applicazioni dei laser UV
L'elaborazione laser UV presenta molti vantaggi ed è attualmente la tecnologia preferita nello sviluppo delle informazioni tecnologiche. In primo luogo, il laser UV può emettere lunghezze d'onda ultracorte di luce laser, che possono gestire con precisione materiali ultra piccoli e fini; in secondo luogo, il "trattamento a freddo" del laser UV non distrugge il materiale stesso nel suo insieme, ma ne tratta solo la superficie; inoltre, non vi è praticamente alcun effetto del danno termico. Alcuni materiali non assorbono efficacemente i laser visibili e infrarossi, rendendoli impossibili da elaborare. Il più grande vantaggio degli UV è che praticamente tutti i materiali assorbono la luce UV in modo più ampio. I laser UV, in particolare i laser UV a stato solido, sono compatti e piccoli, di semplice manutenzione e facili da produrre in grandi quantità. I laser UV sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni nella lavorazione di biomateriali medici, nella medicina legale nei procedimenti penali, nei circuiti integrati, nell'industria dei semiconduttori, nei componenti micro-ottici, nella chirurgia, nelle comunicazioni e nei radar, nell'elaborazione e nel taglio laser.
3.1. Modifica delle proprietà superficiali dei materiali biologici
In alcuni trattamenti, molti materiali medici devono essere compatibili con i tessuti umani o addirittura riparati, come il trattamento con laser ultravioletto di malattie intraoculari e esperimenti su cornee di coniglio che a volte richiedono cambiamenti nelle proprietà biologiche delle proteine e nelle strutture biomolecolari. Dopo aver regolato i parametri di impulso ottimali del laser UV ad eccimeri, gli sperimentatori hanno quindi irradiato la superficie dei biomateriali medici rispettivamente con laser da 100 nm, 120 nm e 200 nm, migliorando così la struttura fisico-chimica della superficie del materiale e non modificando la struttura chimica complessiva di il materiale e rendendo i biomateriali organici trattati significativamente più compatibili e idrofili con i tessuti umani attraverso esperimenti comparativi con cellule biologiche in coltura, il che è di grande aiuto nelle applicazioni biologiche mediche.
3.2. Nel campo delle indagini penali
Nel campo delle indagini penali, le impronte digitali sono state utilizzate come importanti prove biologiche lasciate sulla scena del crimine da sospetti in procedimenti penali da quando si è scoperto che le impronte digitali sono uniche come il DNA. I vecchi metodi possono causare danni ai campioni e rendere difficile la raccolta e la conservazione dei reperti. La ricerca attuale ha risultati eccezionali per le impronte digitali della superficie degli oggetti non penetranti, come nastri, fotografie, vetro, ecc. Imaging a luminescenza UV" e "Imaging a riflettanza laser UV" vengono utilizzati per osservare e registrare il rilevamento e la raccolta di impronte digitali mediante irradiazione laser UV di potenziali impronte digitali tramite filtri passa-banda rispettivamente a 266 nm e 340 nm. Il settanta per cento dei 120 campioni testati nell'esperimento sono stati rilevati con successo.La tecnica UV a onde corte aumenta il tasso di successo delle potenziali impronte digitali e la facilità e la velocità con cui le proprietà ottiche possono essere controllate lo rendono promettente per l'uso nella scienza delle aule giudiziarie. cellule esfoliate, macchie di sangue, capelli con follicoli piliferi e altri campioni biologici comuni possono essere rilevati con il rilevamento UV.Tuttavia, quando il laser UV a onde corte a 266 nm è stato utilizzato per irradiare campioni biologici a distanza fissa e a durate diverse e quindi per estrarre DNA, è stato riscontrato che il laser UV a onde corte da 266 nm ha avuto un grave effetto sui risultati del DNA di cinque tipi comuni di prove biologiche: impronte digitali, b macchie di sangue, macchie di saliva, cellule sparse e capelli con follicoli piliferi, ma solo in misura minore sulla rilevazione del DAN biologico per capelli inclusi follicoli piliferi, saliva e macchie di sangue. I laser UV a onde corte possono influenzare alcuni biomateriali del DNA, quindi il metodo di estrazione dovrebbe essere scelto con attenzione per il suo valore probatorio durante le indagini forensi.
3.3. Applicazioni laser UV su circuiti integrati
La produzione di un'ampia gamma di circuiti stampati nell'industria, dal cablaggio iniziale alla produzione di minuscoli chip embedded di precisione che richiedono processi avanzati, circuiti flessibili all'interno di circuiti integrati, circuiti laminati in polimeri e rame, richiedono tutti la perforazione e il taglio di microfori, così come la riparazione e l'ispezione dei materiali sulle tavole, spesso richiedendo l'uso di microfabbricazioni e lavorazioni. La tecnologia di microlavorazione laser è chiaramente la scelta migliore per la lavorazione dei circuiti stampati. Il laser non entra in contatto con il prodotto da lavorare durante il processo, evitando efficacemente le forze meccaniche, con conseguente rapidità di lavorazione, elevata flessibilità e assenza di particolari requisiti per il posto di lavoro, che può raggiungere grandezze submicroniche grazie alla precisa impostazione del laser parametri e disegno di ricerca. I metodi di perforazione più tradizionali utilizzati sui circuiti stampati sono l'uso di laser UV e laser a CO2 per la marcatura di materiali non metallici (per la marcatura di materiali non metallici vengono utilizzati laser a CO2 con una lunghezza d'onda di 10,6 μm; le lunghezze d'onda di 1064 nm o 532 nm sono generalmente utilizzato per la marcatura di materiali metallici). Allo stato attuale, la tecnologia di elaborazione laser UV è ancora principalmente utilizzata, che può ottenere un'elaborazione a livello di micron, un'elevata precisione, può produrre dispositivi micro-zero ultra fini, può essere applicata a uno spot inferiore a 1 μm del raggio laser del micro-foro in lavorazione. Tuttavia, i laser CO2 vengono utilizzati principalmente per fori compresi tra 75 e 150 mm e sono soggetti a disallineamenti in piccoli fori, mentre i laser UV possono essere utilizzati per fori fino a 25 mm con elevata precisione e nessun disallineamento. Ad esempio, nella lavorazione "a freddo" di circuiti stampati rivestiti di rame con laser a femtosecondi UV, viene utilizzato un metodo di bilanciamento completo per ottenere i parametri di processo ottimali e le proprietà di incisione selettiva vengono quindi utilizzate per ottenere un'elevata qualità e un'efficienza elevata incisione a micro linee di superfici rivestite di rame con una larghezza della linea di 50 μm e un passo della linea di 20 μm.
3.4 Elaborazione e preparazione dei componenti micro-ottici
Nell'era della tecnologia dell'informazione e del rapido sviluppo dell'industria moderna, la necessità di costruire più sistemi sperimentali in uno spazio più piccolo e di ottenere più funzioni richiede lo sviluppo accelerato della tecnologia dell'informazione e, cosa più importante, la produzione di sistemi più piccoli, miniaturizzati e completamente dispositivi funzionali che elaborano solo i legami chimici sulla superficie del materiale. Ha importanti applicazioni e valore di ricerca nei campi della comunicazione radar militare, della terapia medica, dell'aerospazio e della biochimica. Sono possibili tagli e ottimizzazioni più approfonditi e ricerca e sviluppo di applicazioni su componenti micro-ottici su scala nanometrica, trasformando le funzioni e le proprietà dei componenti ottici tradizionali. La micro-ottica ha il vantaggio di essere facile da produrre in serie, facile da schierare, piccola, leggera e flessibile, ma il materiale principale è il vetro al quarzo. Il vetro al quarzo è soggetto a crepe e crateri durante l'applicazione e la manipolazione ed è un materiale duro e fragile, che ne riduce significativamente le proprietà ottiche. Di conseguenza, la tecnologia di elaborazione "a freddo" della scrittura diretta del laser UV ha notevolmente migliorato l'efficienza dei dispositivi micro-ottici, consentendo la rapida elaborazione di componenti micro-ottici con elevata precisione e struttura fine senza danneggiare il materiale e consentendo un'elaborazione flessibile di lotti grandi e piccoli con esigenze diverse. Mentre gli istituti di ricerca stranieri hanno studiato in precedenza l'elaborazione UV-UV dei wafer di silicio, la ricerca interna sulla tecnologia di taglio dei wafer di silicio e sulle sfaccettature è stata condotta solo dopo un inizio relativamente tardivo. Taglio ottimizzato di tre wafer di silicio dello stesso materiale (0.18 mm, 0.38 mm e 0.6 mm) con un'apertura minima di 45 μm e una precisione di lavorazione di 20 μm, senza crepe nel materiale, minore influenza termica del laser e meno schizzi.
3.4. Applicazioni laser UV nell'industria dei semiconduttori
La microlavorazione di materiali semiconduttori con laser UV ha ricevuto crescente attenzione negli ultimi anni. Migliaia di componenti di circuiti densi sono molto comuni nei circuiti integrati, quindi sono necessari alcuni metodi di manipolazione e elaborazione ad alta precisione, nonché alcuni strumenti e dispositivi ad alta precisione come materiali semiconduttori in silicio e zaffiro e altri film sottili di semiconduttori di microelaborazione di precisione mediante laser UV e studiare le proprietà spettrali del film, mentre il laser UV può anche aumentare l'utilizzo dell'energia luminosa dei materiali in silicio, ma anche apportare modifiche alla microstruttura della superficie del silicio, il che favorisce lo sviluppo di pannelli solari, come due microreticolo dimensionale, ecc.
4. osservazioni conclusive
Attraverso decenni di sviluppo e ricerca, la tecnologia e le applicazioni dei laser UV sono diventate sempre più diffuse e mature, e la sua tecnologia di lavorazione fine "a freddo" più caratteristica micro-elabora e tratta le superfici senza modificare le proprietà fisiche dell'oggetto, ed è ampiamente utilizzato in vari settori e campi come comunicazioni, ottica, militari, indagini penali e cure mediche. L'era del 5G, ad esempio, sta generando domanda per l'elaborazione FPC. Con l'ulteriore sviluppo dell'industria 5G e la ricerca di display OLED flessibili da parte dei principali produttori di elettronica, la domanda di circuiti stampati flessibili FPC sta crescendo rapidamente e, con essa, la domanda di laser UV. Si spera che questa tendenza porti a un rapido sviluppo della stessa tecnologia UV per ottenere maggiori scoperte in termini di potenza e larghezza di impulso, nonché a nuove aree di applicazione. L'applicazione di macchine laser UV ha reso possibile la lavorazione a freddo di precisione di materiali come l'FPC, mentre il graduale aumento dell'FPC ha guidato l'implementazione del 5G, le cui caratteristiche di bassa latenza offrono opportunità illimitate per nuove ondate di sviluppo tecnologico come la tecnologia cloud, il Internet delle cose, driverlessness e VR. Questo è ovviamente un concetto complementare e le nuove tecnologie e applicazioni alla fine guideranno l'ulteriore sviluppo dei laser UV.
Man mano che emergono sempre più nuovi cristalli di raddoppiamento della frequenza e mezzi di guadagno, più corta è la lunghezza d'onda, maggiore sarà la potenza del laser UV verrà utilizzata in futuro in più settori per promuovere lo sviluppo di tutti i ceti sociali, laser UV nel campo di elaborazione più intelligente, efficiente e preciso, alto tasso di ripetizione, alta stabilità è la tendenza dello sviluppo futuro.
