Úvod
S rychlým rozvojem technologií vyvstává potřeba lehčích, výkonnějších, menších, multifunkčních a vysoce kvalitních laserových zařízení pro elektroniku, lékařskou terapii, biologii a materiály. V současnosti jsou běžné lasery dostupné v infračervených a viditelných vlnových délkách. Tradiční laserové nástroje, procesy a technologie trpí nízkou účinností, složitým provozem, vysokými náklady, omezeným dosahem, velkými ztrátami a nízkou přesností. UV lasery byly v posledních desetiletích opakovaně zkoumány vědci pro jejich relativně vysokou koherenci, pohodlí, stabilitu a spolehlivost, nízkou cenu, laditelnost, malé rozměry, vysokou účinnost, přesnost a praktičnost.
2. UV lasery
UV lasery se dělí hlavně na plynové UV lasery a pevné UV lasery v pevné fázi. Pracovní médium dosáhne excitovaného stavu absorbováním vnější energie působením zdroje čerpadla a poté, co je inverzní zisk počtu částic větší než ztráta, je světlo zesíleno a část zesíleného světla je přiváděna zpět, aby pokračovala v buzení. generování oscilací v rezonanční dutině pro vytvoření laseru. Plynná média se používají hlavně při pulzních výbojích nebo výbojích elektronových paprsků, kde srážky mezi elektrony excitují částice plynu z nízkých energetických hladin na vysoké energetické hladiny, aby vytvořily excitované skoky pro získání UV laserů. Pevné médium je nelineární frekvenční zdvojující krystal, který produkuje navenek vyzařující UV laserové světlo po jednom nebo více frekvenčních přechodech. Pro laserové zpracování a manipulaci se běžně používají excimerové a celopevnolátkové UV lasery.
2.1. Excimerové lasery
Hlavními plynovými UV lasery jsou excimerové lasery, argonové iontové lasery, dusíkové molekulární lasery, fluorové molekulární lasery, helium-kadmiové lasery atd. Excimerové lasery atd. se běžně používají pro laserové zpracování. Excimerové lasery jsou plynové lasery s excimerem jako pracovní látkou. Jsou to také pulzní lasery a od doby, kdy byl v roce 1971 vytvořen první excimerový laser, je o ně velký výzkumný zájem. Excimer je nestabilní molekula sloučeniny, která se za určitých okolností rozpadá na atomy. Opakovací frekvence a průměrný výkon jsou základem pro posuzování excimerových laserů. Určitý podíl vzácných plynů jako Ar, Kr a Xe ve směsi s halogenovými prvky jako F, Cl a Br jsou hlavními pracovními látkami UV plynových laserů, které jsou čerpány pomocí elektronových paprsků nebo pulzních výbojů. Když jsou atomy vzácných a vzácných plynů v základním stavu excitovány, elektrony mimo jádro jsou tak excitovány na vyšší orbitaly, takže nejvzdálenější elektronová vrstva je vyplněna a kombinována s jinými atomy za vzniku kvazi-molekul, které pak přeskakují zpět do základního stavu a rozpadají se na původní atomy. Kapalný xenon byl pracovní látkou pro rané excimerové lasery. Mezi dnešní excimerové lasery patří také ArF laser na 193 nm, KrF laser na 248 nm a XeCl laser na 308 nm.
2.2. Pevné UV lasery
Vynikajícími výhodami celopevnolátkových UV laserů jsou jejich pohodlné malé rozměry, vysoká spolehlivost a provozní stabilita. Nejčastěji se používá běžný krystal Nd:YAG pro LD čerpání, který je následně frekvenčně zdvojnásoben.
Hlavními kroky při generování UV pevnolátkového laseru jsou nejprve čerpání světelného zdroje v laseru na médium zesilovače pro dosažení inverze počtu částic, tvorba a oscilace základního červeného světla v rezonanční dutině, poté zdvojnásobení frekvence v dutině jedním nebo více nelineárními krystaly a nakonec výstup požadovaného UV laseru z rezonanční dutiny po přenosu a odrazu. UV pevnolátkové lasery se obvykle získávají pomocí metod čerpání LD diod a čerpání lamp. Plnopevné UV lasery jsou LD-pumpované UV pevnolátkové lasery.
Nd:YAG (neodymem dopovaný yttrium-hliníkový granát) a Nd:YVO4 (neodymem dopovaný yttrium-vanadičnan) jsou dva z běžnějších typů vyztužených krystalů média. Běžnou metodou zesílení rezonančních dutin je použití malé polovodičové laserové diody LD čerpané Nd:YVO4 laserovým krystalem při vlnové délce 808 nm pro produkci blízkého infračerveného světla při 1064 nm. Ve srovnání s Nd:YAG má laserový krystal Nd:YVO4 větší průřez zesílení, čtyřnásobný než Nd:YAG, větší absorpční koeficient, pětkrát vyšší než Nd:YAG, a nižší práh laseru. Ve srovnání s Nd:YAG má laserový krystal Nd:YVO4 větší průřez zesílení, čtyřnásobný než Nd:YAG, větší absorpční koeficient, pětkrát vyšší než Nd:YAG, a nižší práh laseru. Krystaly Nd:YAG mají vysokou mechanickou pevnost, vysokou propustnost světla, dlouhou životnost fluorescence a nevyžadují drsný systém odvodu tepla a chlazení.
3. Aplikace UV laserů
Zpracování UV laserem má mnoho výhod a je v současnosti technologií volby při vývoji technologických informací. Za prvé, UV laser může vydávat ultrakrátké vlnové délky laserového světla, které si dokáže přesně poradit s ultra malými a jemnými materiály; za druhé „studená úprava“ UV laserem neničí samotný materiál jako celek, ale pouze ošetřuje jeho povrch; dále v podstatě nedochází k tepelnému poškození. Některé materiály neabsorbují účinně viditelné a infračervené lasery, což znemožňuje jejich zpracování. Největší výhodou UV záření je, že v podstatě všechny materiály absorbují UV světlo šířeji. UV lasery, zejména pevnolátkové UV lasery, jsou kompaktní a malé, snadno se udržují a snadno se vyrábějí ve velkém množství. UV lasery se používají v širokém spektru aplikací při zpracování lékařských biomateriálů, forenzní v trestních věcech, desky s integrovanými obvody, polovodičový průmysl, mikrooptické komponenty, chirurgie, komunikace a radary a laserové zpracování a řezání.
3.1. Modifikace povrchových vlastností biologických materiálů
Při některých léčbách musí být mnoho lékařských materiálů kompatibilních s lidskou tkání nebo dokonce opraveno, jako je léčba nitroočních onemocnění ultrafialovým laserem a experimenty na králičích rohovkách, které někdy vyžadují změny biologických vlastností proteinů a biomolekulárních struktur. Po úpravě optimálních pulzních parametrů excimerového UV laseru pak experimentátoři ozářili povrch lékařských biomateriálů lasery 100 nm, 120 nm a 200 nm, čímž zlepšili fyzikálně-chemickou strukturu povrchu materiálu a neměnili celkovou chemickou strukturu materiálu a díky srovnávacím experimentům s kultivovanými biologickými buňkami jsou ošetřené organické biomateriály výrazně kompatibilní a hydrofilní s lidskými tkáněmi, což je velkou pomocí v lékařských biologických aplikacích.
3.2. V oblasti vyšetřování trestných činů
V oblasti vyšetřování trestných činů byly otisky prstů používány jako důležité biologické důkazy zanechané na místě činu podezřelými v trestních věcech, protože bylo zjištěno, že otisky prstů jsou stejně jedinečné jako DNA. Kdysi staré metody mohou vést k poškození vzorků a ztížit sběr a skladování exponátů. Současný výzkum má vynikající výsledky pro nepronikavé otisky prstů na povrchu objektů, jako jsou pásky, fotografie, sklo atd. vzhled. UV luminiscenční zobrazování" a "UV laserové odrazové zobrazování" se používají k pozorování a záznamu detekce a sběru otisků prstů pomocí UV laserového ozařování potenciálních otisků prstů přes pásmové filtry při 266 nm a 340 nm. Sedmdesát procent ze 120 vzorků testované v experimentu byly úspěšně detekovány. UV krátkovlnná technika zvyšuje úspěšnost potenciálních otisků prstů a snadnost a rychlost, s jakou lze ovládat optické vlastnosti, ji činí slibnou pro použití v soudní síni. Skvrny ze slin na místě, exfoliované buňky, krvavé skvrny, vlasy s vlasovými folikuly a další běžné biologické vzorky mohou být detekovány pomocí UV detekce. Nicméně, když byl krátkovlnný 266 nm UV laser použit k ozařování biologických vzorků na pevnou vzdálenost a při různé době trvání a poté k extrakci DNA, bylo zjištěno, že krátkovlnný 266 nm UV laser měl vážný vliv na výsledky DNA pěti běžných typů biologických důkazů: otisky prstů, b skvrny od slin, slinné skvrny, uvolněné buňky a vlasy s vlasovými folikuly, ale pouze v menší míře na detekci biologického DAN pro vlasy včetně vlasových folikulů, slin a krevních skvrn. Krátkovlnné UV lasery mohou ovlivnit některé biomateriály DNA, proto by měla být metoda extrakce pečlivě vybrána pro její průkaznou hodnotu během forenzního vyšetřování.
3.3. Aplikace UV laseru na deskách integrovaných obvodů
Výroba široké škály desek plošných spojů v průmyslu, od počátečního zapojení až po výrobu malých přesných vestavěných čipů vyžadujících pokročilé procesy, flexibilní obvody v deskách s integrovanými obvody, laminované obvody v polymerech a mědi, to vše vyžaduje vrtání a řezání mikrootvorů, stejně jako oprava a kontrola materiálů na deskách, často vyžadující použití mikrovýroby a zpracování. Technologie laserového mikroobrábění je jednoznačně nejlepší volbou pro zpracování desek plošných spojů. Laser se během procesu nedostává do kontaktu s produktem, který má být zpracován, účinně zabraňuje mechanickým silám, což má za následek rychlé zpracování, vysokou flexibilitu a žádné zvláštní požadavky na pracoviště, které může dosáhnout submikronových velikostí díky přesnému nastavení laseru parametry a design výzkumu. Tradičnějšími metodami vrtání na deskách plošných spojů je použití UV laserů a CO2 laserů pro nekovové značení (pro značení nekovových materiálů se používají CO2 lasery s vlnovou délkou 10,6 μm; vlnové délky 1064 nm nebo 532 nm jsou obecně používané pro značení kovových materiálů). V současné době se stále používá hlavně technologie UV laserového zpracování, která může dosáhnout mikronového zpracování, vysoké přesnosti, může produkovat ultrajemná mikro-nulová zařízení, lze aplikovat na bod laserového paprsku mikrootvoru menší než 1 μm zpracovává se. CO2 lasery se však používají hlavně pro otvory mezi 75 a 150 mm a jsou náchylné k nesouososti v malých otvorech, zatímco UV lasery lze použít pro otvory do 25 mm s vysokou přesností a bez vychýlení. Například při „studeném“ zpracování desek plošných spojů plátovaných mědí pomocí UV femtosekundových laserů se k získání optimálních parametrů procesu používá komplexní metoda vyvažování a vlastnosti selektivního leptání se pak využívají k dosažení vysoce kvalitního a vysoce účinného mikročárové leptání poměděných povrchů s šířkou čáry 50 μm a roztečí čar 20 μm.
3.4 Zpracování a příprava mikrooptických součástek
V době informačních technologií a rychlého rozvoje moderního průmyslu vyžaduje potřeba budovat více experimentálních systémů na menším prostoru a dosahovat více funkcí urychlený rozvoj informačních technologií a co je důležitější, výroba menších, miniaturizovaných a plně funkční zařízení, která pouze zpracovávají chemické vazby na povrchu materiálu. Má důležité aplikace a výzkumnou hodnotu v oblasti vojenské radarové komunikace, lékařské terapie, letectví a biochemie. Je možný hlubší řez a optimalizace a výzkum a vývoj aplikací na mikrooptických součástkách v nanoměřítku, které transformují funkce a vlastnosti tradičních optických součástek. Mikrooptika má tu výhodu, že se snadno vyrábí ve velkém, je snadno sestavitelná, je malá, lehká a flexibilní, ale hlavním materiálem je křemenné sklo. Křemenné sklo je náchylné k praskání a tvorbě kráterů při aplikaci a manipulaci a je tvrdým a křehkým materiálem, což výrazně snižuje jeho optické vlastnosti. Výsledkem je, že technologie přímého zápisu „studeného“ zpracování UV laseru výrazně zlepšila účinnost mikrooptických zařízení, umožnila rychlé zpracování mikrooptických komponent s vysokou přesností a jemnou strukturou bez poškození materiálu a umožnila flexibilní zpracování velké a malé šarže s různými požadavky. Zatímco zahraniční výzkumné ústavy studovaly UV-UV zpracování křemíkových plátků již dříve, domácí výzkum technologie řezání křemíkových plátků a jejich faset byl proveden až po relativně pozdním zahájení. Optimalizované řezání tří křemíkových plátků ze stejného materiálu (0,18 mm, 0,38 mm a 0,6 mm) s minimální aperturou 45 μm a přesností obrábění 20 μm, nevykazuje žádné trhliny v materiálu, menší tepelný vliv laseru a menší rozstřik.
3.4. Aplikace UV laseru v polovodičovém průmyslu
Mikroobrábění polovodičových materiálů pomocí UV laserů se v posledních letech těší stále větší pozornosti. V integrovaných obvodech jsou velmi běžné tisíce součástek s hustými obvody, takže jsou vyžadovány některé vysoce přesné metody manipulace a zpracování, stejně jako některé vysoce přesné nástroje a zařízení, jako jsou křemíkové a safírové polovodičové materiály a další tenké polovodičové filmy s přesným mikrozpracováním. UV laser a studovat spektrální vlastnosti filmu, zatímco UV laser může také zvýšit využití světelné energie křemíkových materiálů, ale také změnit mikrostrukturu křemíkového povrchu, což přispívá k vývoji solárních panelů, jako jsou dvou- rozměrová mikromřížka atd.
4. poznámky na závěr
Díky desetiletím vývoje a výzkumu se technologie a aplikace UV laserů stále více rozšiřují a dozrávají a její nejcharakterističtější technologie jemného zpracování „za studena“ mikrozpracovává a ošetřuje povrchy beze změny fyzikálních vlastností předmětu a je široce používán v různých průmyslových odvětvích a oblastech, jako je komunikace, optika, armáda, vyšetřování trestných činů a lékařské ošetření. Například éra 5G generuje poptávku po zpracování FPC. S dalším rozvojem 5G průmyslu a snahou velkých výrobců elektroniky o flexibilní OLED displeje rychle roste poptávka po flexibilních deskách plošných spojů FPC a s tím i poptávka po UV laserech. Doufejme, že tento trend povede k rychlému rozvoji samotné UV technologie k dosažení větších průlomů v oblasti výkonu a šířky pulzu, stejně jako k novým oblastem použití. Použití UV laserových strojů umožnilo přesné zpracování materiálů, jako je FPC, za studena, zatímco postupný nárůst FPC vedl k nasazení 5G, jehož vlastnosti s nízkou latencí poskytují neomezené příležitosti pro nové vlny technologického rozvoje, jako je cloudová technologie, Internet věcí, bez řidiče a VR. Toto je samozřejmě doplňkový koncept a nové technologie a aplikace budou nakonec řídit další vývoj UV laserů.
S tím, jak se objevuje stále více nových krystalů pro zdvojení frekvence a ziskových médií, čím kratší vlnová délka, tím vyšší výkon UV laseru bude v budoucnu využíván ve více průmyslových odvětvích k podpoře rozvoje všech oblastí života, UV lasery v oblasti zpracování inteligentnější, efektivnější a přesnější, vysoká opakovací frekvence, vysoká stabilita je trendem budoucího vývoje.
