Introducció
Amb el ràpid desenvolupament de la tecnologia, hi ha una necessitat d'equips làser més lleugers, eficients, més petits, multifuncionals i d'alta qualitat per a electrònica, teràpia mèdica, biologia i materials. Actualment els làsers comuns estan disponibles en longituds d'ona infraroja i visible. Les eines, processos i tecnologies làser tradicionals pateixen una baixa eficiència, un funcionament complex, costos elevats, abast restringit, pèrdues greus i poca precisió. Els làsers UV han estat investigats repetidament pels científics en les últimes dècades per la seva coherència relativament alta, comoditat, estabilitat i fiabilitat, baix cost, ajustabilitat, mida petita, alta eficiència, precisió i practicitat.
2. Làsers UV
Els làsers UV es divideixen principalment en làsers UV de gas i làsers d'estat sòlid UV sòlid. El medi de treball arriba a un estat excitat absorbint energia externa sota l'acció de la font de la bomba, i després que el guany d'inversió del nombre de partícules sigui més gran que la pèrdua, la llum s'amplifica i part de la llum amplificada es retroalimenta per continuar l'excitació. generant oscil·lació a la cavitat ressonant per produir el làser. Els mitjans de gas s'utilitzen principalment en descàrregues polsades o de feix d'electrons, on les col·lisions entre electrons exciten les partícules de gas des de nivells d'energia baixos fins a nivells d'energia elevats per produir salts excitats per obtenir làsers UV. El medi sòlid és un cristall de duplicació de freqüència no lineal que produeix llum làser UV radiant cap a l'exterior després d'una o més transicions de freqüència. Els làsers UV excímers i d'estat sòlid s'utilitzen habitualment per al processament i manipulació làser.
2.1. Làsers excímers
Els làsers UV de gas principals són làsers excímers, làsers d'ions d'argó, làsers moleculars de nitrogen, làsers moleculars de fluor, làsers d'heli cadmi, etc. Els làsers excímers, etc., s'utilitzen habitualment per al processament làser. Els làsers excímers són làsers de gas amb excimer com a substància de treball. També són làsers polsats i han estat de gran interès en la recerca des que es va crear el primer làser excimer l'any 1971. L'excimer és una molècula composta inestable que es descompone en àtoms en determinades circumstàncies. La freqüència de repetició i la potència mitjana són la base per jutjar els làsers excímers. Una certa proporció de gasos rars com Ar, Kr i Xe barrejats amb elements halògens com F, Cl i Br són les principals substàncies de treball dels làsers de gas UV, que són bombejats mitjançant feixos d'electrons o descàrregues polsades. Quan els àtoms de gasos nobles i rars en l'estat fonamental s'exciten, els electrons fora del nucli s'exciten a orbitals superiors de manera que la capa d'electrons més externa s'omple i es combina amb altres àtoms per formar quasi molècules, que després salten cap a la estat fonamental i es divideixen en els àtoms originals. El xenó líquid va ser la substància de treball dels primers làsers excímers. Els làsers excímers actuals també inclouen el làser ArF a 193 nm, el làser KrF a 248 nm i el làser XeCl a 308 nm.
2.2. Làsers UV d'estat sòlid
Els avantatges destacats dels làsers UV d'estat sòlid són la seva mida petita, l'alta fiabilitat i l'estabilitat operativa. El més utilitzat és el cristall Nd:YAG habitual per al bombeig LD, que després es duplica la freqüència.
Els passos principals en la generació d'un làser d'estat sòlid UV són, en primer lloc, el bombeig de la font de llum del làser al medi intensificador per aconseguir la inversió del nombre de partícules, la formació i l'oscil·lació de la llum vermella fonamental a la cavitat ressonant, i després la duplicació de la freqüència a la cavitat per un o més cristalls no lineals i, finalment, la sortida del làser UV desitjat de la cavitat ressonant després de la transmissió i la reflexió. Els làsers UV d'estat sòlid s'obtenen normalment mitjançant mètodes de bombeig de díodes LD i bombeig de làmpades. Els làsers UV d'estat sòlid són làsers d'estat sòlid UV bombejats per LD.
Nd:YAG (granat d'itri d'alumini dopat amb neodimi) i Nd:YVO4 (vanadat d'itri dopat amb neodimi) són dos dels tipus més comuns de cristalls de mitjans reforçats. Un mètode comú per millorar les cavitats ressonants és utilitzar un petit díode làser semiconductor LD bombat amb un cristall làser Nd:YVO4 a una longitud d'ona de 808 nm per produir llum infraroja propera a 1064 nm. En comparació amb Nd:YAG, el cristall làser Nd:YVO4 té una secció transversal de guany més gran, quatre vegades la de Nd:YAG, un coeficient d'absorció més gran, cinc vegades el de Nd:YAG i un llindar làser més baix. En comparació amb Nd:YAG, el cristall làser Nd:YVO4 té una secció transversal de guany més gran, quatre vegades la de Nd:YAG, un coeficient d'absorció més gran, cinc vegades el de Nd:YAG i un llindar làser més baix. Els cristalls Nd:YAG tenen una alta resistència mecànica, una alta transmissió de llum, una llarga vida de fluorescència i no requereixen un sistema de refrigeració i dissipació de calor dur.
3. Aplicacions dels làsers UV
El processament làser UV té molts avantatges i actualment és la tecnologia preferida en el desenvolupament de la informació tecnològica. En primer lloc, el làser UV pot produir longituds d'ona ultra curtes de llum làser, que poden tractar amb precisió materials ultra petits i fins; en segon lloc, el "tractament en fred" del làser UV no destrueix el material en si mateix, sinó que només tracta la seva superfície; a més, bàsicament no hi ha cap efecte de dany tèrmic. Alguns materials no absorbeixen els làsers visibles i infrarojos amb eficàcia, cosa que els fa impossibles de processar. El major avantatge dels UV és que bàsicament tots els materials absorbeixen la llum UV de manera més àmplia. Els làsers UV, especialment els làsers UV d'estat sòlid, són compactes i petits, senzills de mantenir i fàcils de produir en grans quantitats. Els làsers UV s'utilitzen en una àmplia gamma d'aplicacions en el processament de biomaterials mèdics, forense en casos penals, plaques de circuits integrats, la indústria de semiconductors, components micro-òptics, cirurgia, comunicacions i radar, i processament i tall làser.
3.1. Modificació de les propietats superficials dels materials biològics
En alguns tractaments, molts materials mèdics han de ser compatibles amb el teixit humà o fins i tot reparats, com ara el tractament amb làser ultraviolat de malalties intraoculars i experiments amb còrnies de conill que de vegades requereixen canvis en les propietats biològiques de les proteïnes i les estructures biomoleculars. Després d'ajustar els paràmetres de pols òptims del làser UV excimer, els experimentadors van irradiar la superfície dels biomaterials mèdics amb làsers de 100 nm, 120 nm i 200 nm respectivament, millorant així l'estructura fisicoquímica de la superfície del material i no canviant l'estructura química general del el material, i fent que els biomaterials orgànics tractats siguin significativament més compatibles i hidròfils amb els teixits humans mitjançant experiments comparatius amb cèl·lules biològiques cultivades, la qual cosa és de gran ajuda en aplicacions biològiques mèdiques.
3.2. En l'àmbit de la investigació penal
En l'àmbit de la investigació criminal, les empremtes dactilars s'han utilitzat com a evidència biològica important deixada a l'escena del crim pels sospitosos en casos criminals des que es va descobrir que les empremtes dactilars són tan úniques com l'ADN. Els mètodes antics poden provocar danys a les mostres i dificultar la recollida i emmagatzematge d'exposicions. La investigació actual té resultats excel·lents per a les empremtes dactilars de la superfície d'objectes no penetrants, com ara cintes, fotografies, vidres, etc. La imatge de luminescència UV" i la "imatge de reflectància làser UV" s'utilitzen per observar i registrar la detecció i la recollida d'empremtes dactilars mitjançant la irradiació làser UV d'empremtes dactilars potencials mitjançant filtres de pas de banda a 266 nm i 340 nm respectivament. El setanta per cent de les 120 mostres provat a l'experiment es van detectar amb èxit. La tècnica d'ona curta UV augmenta la taxa d'èxit de les empremtes dactilars potencials, i la facilitat i la velocitat amb què es poden controlar les propietats òptiques fa que sigui prometedora per al seu ús a la ciència de la sala de tribunals. Taques de saliva in situ, Es poden detectar cèl·lules exfoliades, taques de sang, cabells amb fol·licles pilosos i altres exemplars biològics comuns amb la detecció UV, però, quan es va utilitzar el làser UV d'ona curta de 266 nm per irradiar mostres biològiques a una distància fixa i amb diferents durades i després extreure'ls. ADN, es va trobar que el làser UV d'ona curta de 266 nm va tenir un efecte greu en els resultats d'ADN de cinc tipus comuns d'evidència biològica: empremtes dactilars, b taques, taques de saliva, cèl·lules excretades i cabells amb fol·licles pilosos, però només en menor mesura en la detecció de DAN biològic per als cabells, inclosos els fol·licles pilosos, la saliva i les taques de sang. Els làsers UV d'ona curta poden afectar alguns biomaterials d'ADN, de manera que el mètode d'extracció s'ha de triar amb cura pel seu valor probatori durant les investigacions forenses.
3.3. Aplicacions làser UV en plaques de circuit integrat
La producció d'una àmplia gamma de plaques de circuit a la indústria, des del cablejat inicial fins a la producció de petites xips incrustades de precisió que requereixen processos avançats, circuits flexibles dins de plaques de circuits integrats, circuits laminats en polímers i coure, tots requereixen perforació i tall de microforats, així com la reparació i inspecció dels materials dels taulers, sovint requerint l'ús de microfabricació i processament. La tecnologia de micromecanitzat làser és clarament la millor opció per al processament de plaques de circuit. El làser no entra en contacte amb el producte que s'ha de processar durant el procés, evitant eficaçment les forces mecàniques, donant lloc a un processament ràpid, una gran flexibilitat i sense requisits especials per al lloc de treball, que pot arribar a magnituds inferiors a micres mitjançant la configuració precisa del làser. paràmetres i disseny de recerca. Els mètodes de perforació més tradicionals utilitzats a les plaques de circuit són l'ús de làsers UV i làsers de CO2 per al marcatge no metàl·lic (s'utilitzen làsers de CO2 amb una longitud d'ona de 10,6 μm per marcar materials no metàl·lics; les longituds d'ona de 1064 nm o 532 nm són generalment utilitzat per marcar materials metàl·lics). Actualment, la tecnologia de processament làser UV encara s'utilitza principalment, que pot aconseguir un processament a nivell de micres, una gran precisió, pot produir dispositius micro-zero ultrafins, es pot aplicar a un punt inferior a 1 μm del feix làser del microforat. processament. Tanmateix, els làsers de CO2 s'utilitzen principalment per a forats d'entre 75 i 150 mm i són propensos a desalinear-se en forats petits, mentre que els làsers UV es poden utilitzar per a forats de fins a 25 mm amb gran precisió i sense desalineació. Per exemple, en el processament "en fred" de plaques de circuit revestides de coure amb làsers de femtosegon UV, s'utilitza un mètode d'equilibri complet per obtenir els paràmetres òptims del procés, i les propietats de gravat selectiu s'utilitzen per aconseguir una alta qualitat i alta eficiència. Gravat de microlínia de superfícies recobertes de coure amb una amplada de línia de 50 μm i un pas de línia de 20 μm.
3.4 Processament i preparació de components micro-òptics
En l'era de la tecnologia de la informació i el ràpid desenvolupament de la indústria moderna, la necessitat de construir més sistemes experimentals en un espai més reduït i d'aconseguir més funcions requereix el desenvolupament accelerat de la tecnologia de la informació i, el que és més important, la producció de més petits, miniaturitzats i totalment. dispositius funcionals que només processen els enllaços químics a la superfície del material. Té aplicacions importants i valor de recerca en els camps de la comunicació de radar militar, teràpia mèdica, aeroespacial i bioquímica. És possible un tall i optimització més profunds i la recerca i desenvolupament d'aplicacions sobre components micro-òptics a escala nanomètrica, transformant les funcions i propietats dels components òptics tradicionals. La microòptica té l'avantatge de ser fàcil de produir en massa, fàcil d'arreglar, petita, lleugera i flexible, però el material principal és el vidre de quars. El vidre de quars és propens a esquerdes i cràter durant l'aplicació i la manipulació i és un material dur i trencadís, que redueix significativament les seves propietats òptiques. Com a resultat, la tecnologia de processament "en fred" d'escriptura directa del làser UV ha millorat molt l'eficiència dels dispositius micro-òptics, permetent el processament ràpid de components micro-òptics amb alta precisió i estructura fina sense danyar el material i permetent un processament flexible de lots grans i petits amb diferents requisits. Si bé els instituts d'investigació estrangers han estudiat anteriorment el processament UV-UV de les hòsties de silici, la investigació nacional sobre la tecnologia i les facetes de tall d'hòsties de silici només es va dur a terme després d'un inici relativament tardà. Tall optimitzat de tres hòsties de silici del mateix material (0,18 mm, 0,38 mm i 0,6 mm) amb una obertura mínima de 45 μm i una precisió de mecanitzat de 20 μm, sense esquerdes al material, menys influència tèrmica del làser i menys esquitxades.
3.4. Aplicacions làser UV a la indústria dels semiconductors
El micromecanitzat de materials semiconductors amb làsers UV ha rebut una atenció creixent en els últims anys. Milers de components de circuits densos són molt comuns als circuits integrats, per la qual cosa es requereixen alguns mètodes de manipulació i processament d'alta precisió, així com alguns instruments i dispositius d'alta precisió, com ara materials semiconductors de silici i safir i altres pel·lícules primes de semiconductors de microprocessament de precisió mitjançant Làser UV i estudiar les propietats espectrals de la pel·lícula, mentre que el làser UV també pot augmentar la utilització de l'energia de la llum dels materials de silici, però també pot fer canvis en la microestructura de la superfície de silici, cosa que afavoreix el desenvolupament de panells solars, com ara dos microreixa dimensional, etc.
4. observacions finals
A través de dècades de desenvolupament i investigació, la tecnologia i les aplicacions dels làsers UV s'han estès i madur cada cop més, i la seva tecnologia de processament "en fred" més característica microprocessa i tracta superfícies sense canviar les propietats físiques de l'objecte, i és àmpliament utilitzat en diverses indústries i camps com ara comunicacions, òptica, militar, investigació criminal i tractament mèdic. L'era 5G, per exemple, està generant demanda de processament FPC. Amb el desenvolupament de la indústria 5G i la recerca de pantalles OLED flexibles per part dels principals fabricants d'electrònica, la demanda de plaques de circuit flexibles FPC està creixent ràpidament i, amb això, la demanda de làsers UV. És d'esperar que aquesta tendència condueixi a un ràpid desenvolupament de la pròpia tecnologia UV per aconseguir majors avenços en potència i amplada de pols, així com a noves àrees d'aplicació. L'aplicació de màquines làser UV ha fet possible el processament en fred de precisió de materials com FPC, mentre que l'augment gradual de FPC ha impulsat el desplegament de 5G, les característiques de baixa latència del qual ofereixen oportunitats il·limitades per a noves onades de desenvolupament tecnològic com la tecnologia del núvol, el Internet de les coses, sense conductor i VR. Per descomptat, aquest és un concepte complementari, i les noves tecnologies i aplicacions eventualment impulsaran el desenvolupament dels làsers UV.
A mesura que sorgeixen cada cop més nous cristalls de duplicació de freqüència i mitjans de guany, com més curta sigui la longitud d'ona, més gran serà la potència del làser UV en el futur en més indústries per promoure el desenvolupament de tots els àmbits de la vida, làsers UV en el camp de processament. més intel·ligent, eficient i precís, alta taxa de repetició, alta estabilitat és la tendència del desenvolupament futur.
