Introduktion
Med den snabba teknikutvecklingen finns ett behov av lättare, effektivare, mindre, multifunktionell och högkvalitativ laserutrustning för elektronik, medicinsk terapi, biologi och material. För närvarande finns vanliga lasrar tillgängliga i infraröda och synliga våglängder. Traditionella laserverktyg, processer och teknologier lider av låg effektivitet, komplex drift, höga kostnader, begränsad räckvidd, stora förluster och låg noggrannhet. UV-lasrar har upprepade gånger undersökts av forskare under de senaste decennierna för deras relativt höga koherens, bekvämlighet, stabilitet och tillförlitlighet, låg kostnad, avstämbarhet, liten storlek, höga effektivitet, noggrannhet och praktiska egenskaper.
2. UV-lasrar
UV-lasrar är huvudsakligen uppdelade i gas-UV-lasrar och solid-UV-solid state-lasrar. Arbetsmediet når ett exciterat tillstånd genom att absorbera extern energi under inverkan av pumpkällan, och efter att partikeltalets inversionsförstärkning är större än förlusten, förstärks ljuset och en del av det förstärkta ljuset matas tillbaka för att fortsätta exciteringen på detta sätt. genererar oscillation i resonanshåligheten för att producera lasern. Gasmedier används huvudsakligen i pulsade eller elektronstråleurladdningar, där kollisioner mellan elektroner exciterar gaspartiklarna från låga energinivåer till höga energinivåer för att producera exciterade hopp för att erhålla UV-lasrar. Det fasta mediet är en icke-linjär frekvensfördubblingskristall som producerar utåtstrålande UV-laserljus efter en eller flera frekvensövergångar. Excimer- och heltäckande UV-lasrar används vanligtvis för laserbearbetning och hantering.
2.1. Excimerlasrar
De huvudsakliga gas-UV-lasrarna är excimerlasrar, argonjonlasrar, kvävemolekylära lasrar, fluormolekylära lasrar, heliumkadmiumlasrar, etc. Excimerlasrar etc. används vanligtvis för laserbehandling. Excimerlasrar är gaslasrar med excimer som arbetssubstans. De är också pulsade lasrar och har varit av stort forskningsintresse sedan den första excimerlasern skapades 1971. Excimer är en instabil sammansatt molekyl som bryts ner till atomer under vissa omständigheter. Upprepningsfrekvens och medeleffekt är grunden för att bedöma excimerlasrar. En viss andel ädelgaser som Ar, Kr och Xe blandade med halogenelement som F, Cl och Br är de huvudsakliga arbetsämnena i UV-gaslasrar, som pumpas med hjälp av elektronstrålar eller pulsade urladdningar. När atomer av ädelgaser och ädelgaser i grundtillståndet exciteras, exciteras elektronerna utanför kärnan således till högre orbitaler så att det yttersta elektronskiktet fylls och kombineras med andra atomer för att bilda kvasimolekyler, som sedan hoppar tillbaka till grundtillstånd och bryts upp i de ursprungliga atomerna. Flytande xenon var arbetssubstansen för de tidiga excimerlasrarna. Dagens excimerlasrar inkluderar även ArF-lasern vid 193 nm, KrF-lasern vid 248 nm och XeCl-lasern vid 308 nm.
2.2. UV-lasrar i fast tillstånd
De enastående fördelarna med helsolid-state UV-lasrar är deras bekväma ringa storlek, höga tillförlitlighet och driftsstabilitet. Den vanligaste är den vanliga Nd:YAG-kristallen för LD-pumpning, som då frekvensdubblas.
Huvudstegen i genereringen av en UV-solid-state-laser är först pumpningen av ljuskällan i lasern på förstärkningsmediet för att uppnå partikelantalinversion, bildandet och svängningen av det fundamentala röda ljuset i resonanshålan, sedan fördubbling av frekvensen i kaviteten med en eller flera icke-linjära kristaller, och slutligen utsignalen från den önskade UV-lasern från resonanshålan efter transmission och reflektion. UV-solid-state-lasrar erhålls vanligtvis genom att använda LD-diodpumpning och lamppumpningsmetoder. All-solid-state UV-lasrar är LD-pumpade UV-solid state-lasrar.
Nd:YAG (neodymdopad yttriumaluminiumgranat) och Nd:YVO4 (neodymdopad yttriumvanadat) är två av de vanligaste typerna av förstärkta mediakristaller. En vanlig metod för att förbättra resonanshåligheter är att använda en liten halvledarlaserdiod LD pumpad med en Nd:YVO4 laserkristall vid en våglängd av 808 nm för att producera nära infrarött ljus vid 1064 nm. Jämfört med Nd:YAG har Nd:YVO4-laserkristallen ett större förstärkningstvärsnitt, fyra gånger det för Nd:YAG, en större absorptionskoefficient, fem gånger den för Nd:YAG och en lägre lasertröskel. Jämfört med Nd:YAG har Nd:YVO4-laserkristallen ett större förstärkningstvärsnitt, fyra gånger det för Nd:YAG, en större absorptionskoefficient, fem gånger den för Nd:YAG och en lägre lasertröskel. Nd:YAG-kristaller har hög mekanisk hållfasthet, hög ljustransmission, lång fluorescenslivslängd och kräver inte en hård värmeavledning och kylsystem.
3. Tillämpningar av UV-lasrar
UV-laserbearbetning har många fördelar och är för närvarande den teknik som valts ut i utvecklingen av teknisk information. För det första kan UV-lasern mata ut ultrakorta våglängder av laserljus, som exakt kan hantera ultrasmå och fina material; för det andra förstör "kallbehandlingen" av UV-lasern inte själva materialet som helhet, utan behandlar bara dess yta; dessutom finns det i princip ingen effekt av termiska skador. Vissa material absorberar inte synliga och infraröda lasrar effektivt, vilket gör dem omöjliga att bearbeta. Den största fördelen med UV är att i princip alla material absorberar UV-ljus mer brett. UV-lasrar, särskilt solid-state UV-lasrar, är kompakta och små, enkla att underhålla och lätta att producera i stora kvantiteter. UV-lasrar används i ett brett spektrum av tillämpningar vid bearbetning av medicinska biomaterial, kriminalteknik i brottmål, integrerade kretskort, halvledarindustrin, mikrooptiska komponenter, kirurgi, kommunikation och radar samt laserbearbetning och skärning.
3.1. Modifiering av ytegenskaper hos biologiska material
I vissa behandlingar behöver många medicinska material vara kompatibla med mänsklig vävnad eller till och med repareras, såsom ultraviolett laserbehandling av intraokulära sjukdomar och experiment på kaninhornhinnor som ibland kräver förändringar i biologiska proteinegenskaper och biomolekylära strukturer. Efter att ha justerat de optimala pulsparametrarna för excimer-UV-lasern bestrålade experimentalisterna sedan ytan av medicinska biomaterial med 100 nm, 120 nm respektive 200 nm lasrar, vilket förbättrade den fysikalisk-kemiska strukturen av materialytan och inte ändrade den övergripande kemiska strukturen av materialet, och göra de behandlade organiska biomaterialen betydligt mer kompatibla och hydrofila med mänskliga vävnader genom jämförande experiment med odlade biologiska celler, vilket är till stor hjälp i medicinska biologiska tillämpningar.
3.2. Inom brottsutredningsområdet
Inom brottsutredningsområdet har fingeravtryck använts som viktiga biologiska bevis som lämnats på brottsplatsen av misstänkta i brottmål sedan man upptäckte att fingeravtryck är lika unika som DNA. En gång gamla metoder kan leda till provskador och göra det svårt att samla in och lagra utställningar. Den aktuella forskningen har enastående resultat för icke-penetrerande föremåls yta fingeravtryck, såsom tejp, fotografier, glas, etc. utseenden. UV-luminescensavbildning" och "UV-laserreflektansavbildning" används för att observera och registrera detektering och insamling av fingeravtryck genom UV-laserbestrålning av potentiella fingeravtryck genom bandpassfilter vid 266 nm respektive 340 nm. Sjuttio procent av de 120 proverna testade i experimentet upptäcktes framgångsrikt. UV-kortvågstekniken ökar framgångsfrekvensen för potentiella fingeravtryck, och den lätthet och hastighet med vilken de optiska egenskaperna kan kontrolleras gör den lovande för användning i rättssalsvetenskap. På plats salivfläckar, exfolierade celler, blodfläckar, hår med hårsäckar och andra vanliga biologiska prover kan detekteras med UV-detektering.Men när kortvågig 266 nm UV-laser användes för att bestråla biologiska prover på ett fast avstånd och med olika varaktighet och sedan för att extrahera DNA, fann man att kortvågig 266 nm UV-laser hade en allvarlig effekt på DNA-resultaten av fem vanliga typer av biologiska bevis: fingeravtryck, b fläckar, salivfläckar, utgjutna celler och hår med hårsäckar, men endast i mindre utsträckning vid upptäckt av biologiskt DAN för hår inklusive hårsäckar, saliv och blodfläckar. Kortvågiga UV-lasrar kan påverka vissa DNA-biomaterial, så extraktionsmetoden bör väljas noggrant för dess bevisvärde under rättsmedicinska undersökningar.
3.3. UV-laserapplikationer på integrerade kretskort
Produktionen av ett brett utbud av kretskort inom industrin, från den första ledningsdragningen till produktionen av små precisionsinbäddade chips som kräver avancerade processer, flexibla kretsar inom integrerade kretskort, laminerade kretsar i polymerer och koppar kräver alla mikrohålsborrning och skärning, samt reparation och inspektion av material på skivorna, vilket ofta kräver användning av mikrotillverkning och bearbetning. Lasermikrobearbetningsteknik är helt klart det bästa valet för bearbetning av kretskort. Lasern kommer inte i kontakt med produkten som ska bearbetas under processen, vilket effektivt undviker mekaniska krafter, vilket resulterar i snabb bearbetning, hög flexibilitet och inga speciella krav på arbetsplatsen, som kan nå submikronstorlekar genom den exakta inställningen av lasern parametrar och forskningsdesign. De mer traditionella borrmetoderna som används på kretskort är användningen av UV-lasrar och CO2-lasrar för icke-metallisk märkning (CO2-lasrar med en våglängd på 10,6 μm används för att markera icke-metalliska material; våglängder på 1064 nm eller 532 nm är i allmänhet används för märkning av metalliska material). För närvarande används fortfarande huvudsakligen UV-laserbearbetningsteknik, vilket kan uppnå bearbetning på mikronnivå, hög noggrannhet, kan producera ultrafina mikro-noll-enheter, kan appliceras på mindre än 1 μm fläck av laserstrålen av mikrohål bearbetning. CO2-lasrar används dock främst för hål mellan 75 och 150 mm och är benägna att felinrikta sig i små hål, medan UV-lasrar kan användas för hål upp till 25 mm med hög noggrannhet och ingen felinställning. Till exempel, vid "kall" bearbetning av kopparbeklädda kretskort med UV-femtosekundlasrar, används en omfattande balanseringsmetod för att erhålla de optimala processparametrarna, och de selektiva etsningsegenskaperna används sedan för att uppnå hög kvalitet och hög effektivitet mikrolinjeetsning av kopparbeklädda ytor med en linjebredd på 50 μm och en linjedelning på 20 μm.
3.4 Bearbetning och beredning av mikrooptiska komponenter
I en tid av informationsteknologi och den snabba utvecklingen av modern industri kräver behovet av att bygga fler experimentella system i ett mindre utrymme och att uppnå fler funktioner en accelererad utveckling av informationsteknologi och, ännu viktigare, produktion av mindre, miniatyriserade och helt funktionella enheter som endast bearbetar de kemiska bindningarna på materialets yta. Det har viktiga tillämpningar och forskningsvärde inom områdena militär radarkommunikation, medicinsk terapi, flyg och biokemi. Mer djupgående skärning och optimering och forskning och utveckling av applikationer på mikrooptiska komponenter på nanoskala är möjliga, vilket förändrar funktionerna och egenskaperna hos traditionella optiska komponenter. Mikrooptik har fördelen av att vara lätt att massproducera, lätt att arrangera, liten, lätt och flexibel, men huvudmaterialet är kvartsglas. Kvartsglas är benäget att spricka och kratras under applicering och hantering och är ett hårt och sprött material, vilket avsevärt minskar dess optiska egenskaper. Som ett resultat har UV-laserns direktskrivande "kalla" bearbetningsteknologi avsevärt förbättrat effektiviteten hos mikrooptiska enheter, vilket möjliggör snabb bearbetning av mikrooptiska komponenter med hög precision och fin struktur utan att skada materialet, och möjliggör flexibel bearbetning av stora och små partier med olika krav. Medan utländska forskningsinstitut har studerat UV-UV-bearbetning av kiselwafers tidigare, utfördes inhemsk forskning om kiselwafer-skärteknik och -facetter först efter en relativt sen start. Optimerad skärning av tre kiselskivor av samma material (0,18 mm, 0,38 mm och 0,6 mm) med en minsta öppning på 45 μm och en bearbetningsnoggrannhet på 20 μm, visar inga sprickor i materialet, mindre termisk påverkan av lasern och mindre stänk.
3.4. UV-laserapplikationer inom halvledarindustrin
Mikrobearbetning av halvledarmaterial med UV-lasrar har fått ökad uppmärksamhet de senaste åren. Tusentals täta kretskomponenter är mycket vanliga i integrerade kretsar, så vissa hanterings- och bearbetningsmetoder med hög precision krävs, liksom vissa högprecisionsinstrument och -anordningar som kisel- och safirhalvledarmaterial och andra tunna halvledarfilmer av precisionsmikrobearbetning av UV-laser och studera filmens spektrala egenskaper, medan UV-lasern också kan öka utnyttjandet av ljusenergi från kiselmaterial, men också göra kiselytans mikrostrukturförändringar, vilket bidrar till utvecklingen av solpaneler, såsom två- dimensionellt mikrogaller, etc.
4. avslutande kommentarer
Genom årtionden av utveckling och forskning har teknologin och tillämpningarna av UV-lasrar blivit mer och mer utbredda och mogna, och dess mest karakteristiska fina "kalla" bearbetningsteknik mikrobearbetar och behandlar ytor utan att ändra objektets fysiska egenskaper, och är används ofta inom olika branscher och områden som kommunikation, optik, militär, brottsutredning och medicinsk behandling. 5G-eran, till exempel, skapar efterfrågan på FPC-bearbetning. Med den fortsatta utvecklingen av 5G-industrin och strävan efter flexibla OLED-skärmar av stora elektroniktillverkare, växer efterfrågan på FPC flexibla kretskort snabbt, och med det, efterfrågan på UV-lasrar. Denna trend kommer förhoppningsvis att leda till en snabb utveckling av själva UV-tekniken för att uppnå större genombrott i effekt och pulsbredd, samt till nya användningsområden. Användningen av UV-lasermaskiner har möjliggjort precisionskallbehandling av material som FPC, medan den gradvisa ökningen av FPC har drivit på utbyggnaden av 5G, vars egenskaper med låg latens ger obegränsade möjligheter för nya vågor av teknisk utveckling som molnteknik, Internet of Things, förarlöshet och VR. Detta är naturligtvis ett kompletterande koncept, och nya teknologier och applikationer kommer så småningom att driva vidareutvecklingen av UV-lasrar.
När fler och fler nya frekvensfördubblingskristaller och förstärkningsmedia dyker upp, ju kortare våglängd desto högre kraft kommer UV-lasern att användas i framtiden i fler industrier för att främja utvecklingen av alla samhällsskikt, UV-lasrar inom bearbetningsområdet mer intelligent, effektiv och exakt, hög upprepningsfrekvens, hög stabilitet är trenden för framtida utveckling.
