Wstęp
Wraz z szybkim rozwojem technologii istnieje zapotrzebowanie na lżejsze, wydajniejsze, mniejsze, wielofunkcyjne i wysokiej jakości urządzenia laserowe dla elektroniki, terapii medycznej, biologii i materiałów. Obecnie powszechne lasery są dostępne w podczerwieni i widzialnej długości fal. Tradycyjne narzędzia, procesy i technologie laserowe charakteryzują się niską wydajnością, złożoną obsługą, wysokimi kosztami, ograniczonym zasięgiem, poważnymi stratami i niską dokładnością. Lasery UV były wielokrotnie badane przez naukowców w ostatnich dziesięcioleciach ze względu na ich stosunkowo wysoką spójność, wygodę, stabilność i niezawodność, niski koszt, możliwość regulacji, niewielkie rozmiary, wysoką wydajność, dokładność i praktyczność.
2. Lasery UV
Lasery UV dzielą się głównie na lasery gazowe UV i lasery na ciele stałym UV. Czynnik roboczy osiąga stan wzbudzony, pochłaniając energię zewnętrzną pod działaniem źródła pompy, a gdy wzmocnienie inwersji liczby cząstek jest większe niż strata, światło zostaje wzmocnione, a część wzmocnionego światła jest zwracana w celu kontynuowania wzbudzenia. generowanie drgań we wnęce rezonansowej w celu wytworzenia lasera. Media gazowe są używane głównie w wyładowaniach impulsowych lub wiązek elektronów, gdzie zderzenia między elektronami pobudzają cząstki gazu od niskich poziomów energii do wysokich poziomów energii, aby wytworzyć wzbudzone skoki w celu uzyskania laserów UV. Ośrodek stały jest nieliniowym kryształem podwajającym częstotliwość, który wytwarza promieniujące na zewnątrz światło lasera UV po jednej lub kilku zmianach częstotliwości. Lasery ekscymerowe i lasery UV w całości na ciele stałym są powszechnie stosowane do obróbki i obsługi laserowej.
2.1. Lasery ekscymerowe
Głównymi laserami gazowymi UV są lasery ekscymerowe, lasery argonowe, lasery molekularne azotowe, lasery molekularne fluorowe, lasery helowo-kadmowe itp. Lasery ekscymerowe itp. są powszechnie stosowane do obróbki laserowej. Lasery ekscymerowe to lasery gazowe z ekscymerem jako substancją roboczą. Są to również lasery impulsowe i cieszą się dużym zainteresowaniem badawczym od czasu powstania pierwszego lasera ekscymerowego w 1971 roku. Excimer to niestabilna cząsteczka związku, która w pewnych okolicznościach rozpada się na atomy. Częstotliwość repetycji i średnia moc są podstawą oceny laserów excimerowych. Pewna część gazów szlachetnych, takich jak Ar, Kr i Xe zmieszana z pierwiastkami halogenowymi, takimi jak F, Cl i Br, to główne substancje robocze laserów gazowych UV, które są pompowane za pomocą wiązek elektronów lub wyładowań impulsowych. Gdy atomy gazów szlachetnych i rzadkich w stanie podstawowym są wzbudzane, elektrony na zewnątrz jądra są wzbudzane do wyższych orbitali, tak że najbardziej zewnętrzna warstwa elektronów jest wypełniana i łączona z innymi atomami, tworząc quasi-cząsteczki, które następnie przeskakują z powrotem do stan podstawowy i rozbić na pierwotne atomy. Ciekły ksenon był substancją roboczą dla wczesnych laserów excimerowych. Dzisiejsze lasery excimerowe obejmują również laser ArF o długości 193 nm, laser KrF o długości 248 nm i laser XeCl o długości fali 308 nm.
2.2. Lasery UV na ciele stałym
Wybitnymi zaletami laserów UV na ciele stałym są ich dogodne niewielkie rozmiary, wysoka niezawodność i stabilność działania. Najczęściej używany jest zwykły kryształ Nd:YAG do pompowania LD, którego częstotliwość jest następnie podwojona.
Główne etapy generowania lasera na ciele stałym UV to najpierw pompowanie źródła światła w laserze do ośrodka wzmacniającego w celu uzyskania inwersji liczby cząstek, tworzenie i oscylacja podstawowego światła czerwonego we wnęce rezonansowej, a następnie podwojenie częstotliwości we wnęce przez jeden lub więcej kryształów nieliniowych, a na koniec wyjście pożądanego lasera UV z wnęki rezonansowej po transmisji i odbiciu. Lasery na ciele stałym UV są zwykle uzyskiwane przy użyciu metod pompowania diod LD i pompowania lamp. Lasery UV w całości na ciele stałym to lasery UV na ciele stałym z pompą LD.
Nd:YAG (granat itrowo-aluminiowy domieszkowany neodymem) i Nd:YVO4 (wanadan itru z domieszką neodymu) to dwa z bardziej powszechnych typów wzmocnionych kryształów medialnych. Powszechną metodą wzmacniania wnęk rezonansowych jest użycie małej półprzewodnikowej diody laserowej LD pompowanej kryształem lasera Nd:YVO4 o długości fali 808 nm w celu wytworzenia bliskiej podczerwieni przy 1064 nm. W porównaniu z Nd:YAG kryształ lasera Nd:YVO4 ma większy przekrój wzmocnienia, czterokrotnie większy niż Nd:YAG, większy współczynnik absorpcji, pięciokrotnie większy niż Nd:YAG i niższy próg lasera. W porównaniu z Nd:YAG kryształ lasera Nd:YVO4 ma większy przekrój wzmocnienia, czterokrotnie większy niż Nd:YAG, większy współczynnik absorpcji, pięciokrotnie większy niż Nd:YAG i niższy próg lasera. Kryształy Nd:YAG charakteryzują się wysoką wytrzymałością mechaniczną, wysoką przepuszczalnością światła, długą żywotnością fluorescencji i nie wymagają ciężkiego systemu odprowadzania ciepła i chłodzenia.
3. Zastosowania laserów UV
Obróbka laserem UV ma wiele zalet i jest obecnie preferowaną technologią w rozwoju informacji technologicznej. Po pierwsze, laser UV może emitować ultrakrótkie fale światła laserowego, co może precyzyjnie radzić sobie z bardzo małymi i drobnymi materiałami; po drugie, „obróbka na zimno” lasera UV nie niszczy samego materiału jako całości, a jedynie obrabia jego powierzchnię; ponadto w zasadzie nie ma wpływu uszkodzeń termicznych. Niektóre materiały nie pochłaniają skutecznie laserów widzialnych i podczerwonych, co uniemożliwia ich obróbkę. Największą zaletą UV jest to, że w zasadzie wszystkie materiały szerzej pochłaniają promieniowanie UV. Lasery UV, zwłaszcza lasery UV na ciele stałym, są kompaktowe i małe, proste w utrzymaniu i łatwe w produkcji w dużych ilościach. Lasery UV są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań w przetwarzaniu biomateriałów medycznych, kryminalistyce w sprawach karnych, obwodach scalonych, przemyśle półprzewodnikowym, elementach mikrooptycznych, chirurgii, komunikacji i radarach oraz obróbce i cięciu laserowym.
3.1. Modyfikacja właściwości powierzchni materiałów biologicznych
W niektórych terapiach wiele materiałów medycznych musi być kompatybilnych z tkanką ludzką lub nawet naprawianych, takich jak leczenie chorób wewnątrzgałkowych laserem ultrafioletowym i eksperymenty na rogówce królika, które czasami wymagają zmian we właściwościach białek biologicznych i strukturach biomolekularnych. Po dostosowaniu optymalnych parametrów impulsu lasera excimerowego UV, eksperymentatorzy napromieniowali następnie powierzchnię biomateriałów medycznych laserami odpowiednio 100 nm, 120 nm i 200 nm, poprawiając w ten sposób strukturę fizykochemiczną powierzchni materiału i nie zmieniając ogólnej struktury chemicznej materiału, oraz uczynienie poddanych obróbce biomateriałów organicznych znacznie bardziej kompatybilnymi i hydrofilowymi z tkankami ludzkimi poprzez eksperymenty porównawcze z hodowanymi komórkami biologicznymi, co jest bardzo pomocne w zastosowaniach biologicznych w medycynie.
3.2. W zakresie dochodzenia karnego
W dziedzinie dochodzeń kryminalnych odciski palców są wykorzystywane jako ważny dowód biologiczny pozostawiony na miejscu przestępstwa przez podejrzanych w sprawach karnych, ponieważ odkryto, że odciski palców są tak wyjątkowe jak DNA. Niegdyś stare metody mogą prowadzić do uszkodzenia próbki i utrudniać gromadzenie i przechowywanie eksponatów. Obecne badania dają znakomite wyniki w odniesieniu do niepenetrujących odcisków palców na powierzchni obiektów, takich jak wygląd taśmy, fotografii, szkła itp. Obrazowanie luminescencyjne UV” i „obrazowanie odbicia laserowego UV” są wykorzystywane do obserwowania i rejestrowania wykrywania i zbierania odcisków palców przez naświetlanie laserem UV potencjalnych odcisków palców przez filtry pasmowoprzepustowe odpowiednio przy 266 nm i 340 nm. Siedemdziesiąt procent ze 120 próbek testowane w eksperymencie zostały pomyślnie wykryte.Technika krótkofalowa UV zwiększa skuteczność potencjalnych odcisków palców, a łatwość i szybkość, z jaką można kontrolować właściwości optyczne, sprawia, że jest ona obiecująca do wykorzystania w badaniach sądowych. złuszczone komórki, plamy krwi, włosy z mieszkami włosowymi i inne powszechnie występujące próbki biologiczne można wykryć za pomocą detekcji UV.Jednak, gdy laser UV o długości fali 266 nm był używany do naświetlania próbek biologicznych z określonej odległości i w różnym czasie, a następnie do ekstrakcji DNA, stwierdzono, że krótkofalowy laser UV 266 nm miał poważny wpływ na wyniki DNA pięciu powszechnych rodzajów dowodów biologicznych: odciski palców, b plamy, plamy ze śliny, zrzucone komórki i włosy z mieszkami włosowymi, ale tylko w mniejszym stopniu na wykrywanie biologicznej DAN dla włosów, w tym mieszków włosowych, śliny i plam krwi. Krótkofalowe lasery UV mogą oddziaływać na niektóre biomateriały DNA, dlatego metoda ekstrakcji powinna być starannie dobrana ze względu na jej wartość dowodową podczas badań kryminalistycznych.
3.3. Zastosowania lasera UV na obwodach scalonych
Produkcja szerokiej gamy płytek drukowanych w przemyśle, od początkowego okablowania po produkcję drobnych, precyzyjnych chipów osadzonych wymagających zaawansowanych procesów, elastycznych obwodów w obwodach scalonych, obwodów laminowanych w polimerach i miedzi, wszystko to wymaga wiercenia i cięcia mikrootworów, a także naprawa i kontrola materiałów na płytach, często wymagająca zastosowania mikroprodukcji i obróbki. Technologia mikroobróbki laserowej jest oczywiście najlepszym wyborem do obróbki płytek drukowanych. Laser nie styka się z produktem, który ma być przetwarzany podczas procesu, skutecznie unika sił mechanicznych, co skutkuje szybką obróbką, wysoką elastycznością i brakiem specjalnych wymagań dotyczących miejsca pracy, które może osiągnąć wielkości submikronowe dzięki precyzyjnemu ustawieniu lasera parametry i projekt badań. Bardziej tradycyjne metody wiercenia stosowane na płytkach drukowanych to lasery UV i lasery CO2 do znakowania materiałów niemetalicznych (do znakowania materiałów niemetalicznych stosuje się lasery CO2 o długości fali 10,6 μm; zwykle używany do znakowania materiałów metalowych). Obecnie nadal stosowana jest głównie technologia obróbki laserowej UV, która może osiągnąć obróbkę na poziomie mikronów, wysoką dokładność, może wytwarzać bardzo drobne urządzenia mikrozerowe, może być stosowana do mniej niż 1 μm plamki wiązki laserowej mikrootworu przetwarzanie. Jednak lasery CO2 są używane głównie do otworów o średnicy od 75 do 150 mm i są podatne na niewspółosiowość w małych otworach, podczas gdy lasery UV mogą być używane do otworów o średnicy do 25 mm z dużą dokładnością i bez niewspółosiowości. Na przykład przy obróbce „na zimno” płytek drukowanych pokrytych miedzią za pomocą laserów femtosekundowych UV, stosuje się kompleksową metodę wyważania w celu uzyskania optymalnych parametrów procesu, a następnie wykorzystuje się właściwości selektywnego trawienia w celu uzyskania wysokiej jakości, wysokiej wydajności Wytrawianie mikroliniowe powierzchni pokrytych miedzią o szerokości linii 50 μm i odstępie linii 20 μm.
3.4 Obróbka i przygotowanie elementów mikrooptycznych
W dobie informatyki i szybkiego rozwoju nowoczesnego przemysłu potrzeba budowania większej liczby eksperymentalnych systemów na mniejszej przestrzeni i osiągania większej liczby funkcji wymaga przyspieszonego rozwoju informatyki i, co ważniejsze, produkcji mniejszych, zminiaturyzowanych i w pełni funkcjonalne urządzenia, które przetwarzają jedynie wiązania chemiczne na powierzchni materiału. Ma ważne zastosowania i wartość badawczą w dziedzinie wojskowej łączności radarowej, terapii medycznej, lotnictwa i biochemii. Możliwe jest bardziej dogłębne cięcie i optymalizacja oraz badania i rozwój zastosowań komponentów mikrooptycznych w nanoskali, przekształcając funkcje i właściwości tradycyjnych komponentów optycznych. Mikrooptyka ma tę zaletę, że jest łatwa do masowej produkcji, łatwa do ułożenia, mała, lekka i elastyczna, ale głównym materiałem jest szkło kwarcowe. Szkło kwarcowe jest podatne na pękanie i kraterowanie podczas nakładania i przenoszenia oraz jest materiałem twardym i kruchym, co znacznie obniża jego właściwości optyczne. W rezultacie technologia obróbki „na zimno” lasera UV znacznie poprawiła wydajność urządzeń mikrooptycznych, umożliwiając szybką obróbkę elementów mikrooptycznych z wysoką precyzją i drobną strukturą bez uszkadzania materiału i umożliwiając elastyczną obróbkę duże i małe partie o różnych wymaganiach. Podczas gdy zagraniczne instytuty badawcze badały obróbkę płytek krzemowych UV-UV wcześniej, krajowe badania nad technologią cięcia płytek krzemowych i fasetami przeprowadzono dopiero po stosunkowo późnym rozpoczęciu. Zoptymalizowane cięcie trzech płytek krzemowych z tego samego materiału (0.18 mm, 0.38 mm i 0.6 mm) z minimalną aperturą 45 μm i dokładnością obróbki 20 μm, nie wykazując pęknięć w materiale, mniejszego wpływu termicznego lasera i mniejszego rozprysku.
3.4. Zastosowania lasera UV w przemyśle półprzewodnikowym
W ostatnich latach coraz więcej uwagi poświęca się mikroobróbki materiałów półprzewodnikowych za pomocą laserów UV. Tysiące gęstych elementów obwodów jest bardzo powszechnych w układach scalonych, więc wymagane są pewne wysoce precyzyjne metody obsługi i przetwarzania, a także niektóre precyzyjne instrumenty i urządzenia, takie jak krzemowe i szafirowe materiały półprzewodnikowe oraz inne cienkie warstwy półprzewodnikowe precyzyjnego mikroprocesowania przez Laser UV i badanie właściwości spektralnych folii, podczas gdy laser UV może również zwiększyć wykorzystanie energii świetlnej materiałów krzemowych, ale także spowodować zmiany mikrostruktury powierzchni krzemu, co sprzyja rozwojowi paneli słonecznych, takich jak dwu- wymiarowa mikrokratka itp.
4. uwagi końcowe
Przez dziesięciolecia rozwoju i badań technologia i zastosowania laserów UV stały się coraz bardziej rozpowszechnione i dojrzałe, a najbardziej charakterystyczna technologia obróbki „na zimno” mikroprzetwarza i obrabia powierzchnie bez zmiany właściwości fizycznych obiektu i jest szeroko stosowany w różnych branżach i dziedzinach, takich jak komunikacja, optyka, wojsko, dochodzenia kryminalne i leczenie. Na przykład era 5G generuje popyt na przetwarzanie FPC. Wraz z dalszym rozwojem branży 5G i dążeniem do elastycznych wyświetlaczy OLED przez głównych producentów elektroniki, zapotrzebowanie na elastyczne płytki drukowane FPC gwałtownie rośnie, a wraz z nim zapotrzebowanie na lasery UV. Mamy nadzieję, że trend ten doprowadzi do szybkiego rozwoju samej technologii UV, aby osiągnąć większe przełomy w zakresie mocy i szerokości impulsu, a także do nowych obszarów zastosowań. Zastosowanie maszyn laserowych UV umożliwiło precyzyjną obróbkę na zimno materiałów takich jak FPC, podczas gdy stopniowy wzrost FPC spowodował wdrożenie 5G, którego charakterystyka niskich opóźnień zapewnia nieograniczone możliwości dla nowych fal rozwoju technologicznego, takich jak technologia chmury, Internet rzeczy, brak kierowcy i VR. Jest to oczywiście koncepcja uzupełniająca, a nowe technologie i zastosowania będą ostatecznie napędzać dalszy rozwój laserów UV.
Ponieważ pojawia się coraz więcej nowych kryształów podwajających częstotliwość i mediów wzmacniających, im krótsza długość fali, tym wyższa moc lasera UV będzie wykorzystywana w przyszłości w większej liczbie branż, aby promować rozwój wszystkich dziedzin życia, lasery UV w dziedzinie przetwarzania bardziej inteligentny, wydajny i dokładny, wysoka powtarzalność, wysoka stabilność to trend przyszłego rozwoju.
