准分子激光器 Excimer lasers

2023-02-28 09:50:56 浏览:1095

定义

在含有具有反结合电子基态的激发二聚体(或其他分子)的等离子体中进行光放大的激光器。

准分子激光器是一种强大的激光器,几乎总是在紫外(UV)光谱区域(→紫外激光器)中工作并产生纳秒脉冲(→纳秒激光器)。

增益介质

准分子增益介质是一种气体混合物,通常含有惰性气体(稀有气体)(例如氩气、氪气或氙气)和卤素(例如氟或氯,例如HCl),此外还有氦气和/或氖气作为缓冲气体。 准分子增益介质通常在高压放电(或有时用电子束)中以短(纳秒)电流脉冲泵送,从而产生所谓的准分子(激发二聚体) - 分子仅在激发电子状态下代表其成分的结合状态,而不是在电子基态。 (严格来说,二聚体是由两个相等的原子组成的分子,但术语准分子通常也被理解为包括不对称分子,如XeCl。术语稀有气体卤化物激光器实际上更合适,有时使用术语exciplex激光器。 关键的一点是,在受刺激或自发发射后,准分子迅速解离,从而避免了对产生的激光辐射的重吸收。 这使得即使对于中等浓度的准分子也可以实现相当高的增益。

由于准分子使用分子作为增益介质,因此原则上可以称为分子激光器,尽管该术语通常用于使用稳定分子的激光器,例如CO2,偶尔可能会解离,但不是预期激光过程的一部分。

发射波长

不同类型的准分子激光器通常以 157 到 351 nm 之间的波长发射: 

Excimer Wavelength
F2 (fluorine) 157 nm
ArF (argon fluoride) 193 nm
KrF (krypton fluoride) 248 nm
XeBr (xenon bromide) 282 nm
XeCl (xenon chloride) 308 nm
XeF (xenon fluoride) 351 nm

对于各种波长,已经开发了专门的准分子光学器件(紫外线光学器件),其需要具有高光学质量,特别是对强紫外线的非常高的抵抗力。

脉冲参数、光束质量和功率效率

准分子激光器无法进行连续波操作,部分原因是无法获得具有合适特性的稳定放电。 脉冲持续时间通常为几纳秒,但有时更长,约为 100 ns。

典型的准分子激光器发射脉冲能量在 10 mJ 到 1 J 之间。 有些达到脉冲重复率仅为 10 Hz,而另一些则达到 1 kHz 甚至更高。 因此,平均输出功率范围从小于1 W到几百瓦。 因此,准分子激光器是紫外线区域最强大的激光源,特别是对于低于300nm的波长。

墙插效率通常在0.2%至5%之间变化;电子束泵浦的可能性要大得多。

光束质量通常很低;在给定情况下,谐振器短、增益体积大和脉冲快速建立通常很难达到高光束质量。 在将这种光束发送到应用之前,通常需要使用某种光束均质器。

在不采取任何特殊措施的情况下,发射线宽通常为1nm量级,但使用波长选择元件(例如激光谐振器中的衍射光栅)可以将其减小到远低于1 pm。

设备生命周期

由于各种问题,早期准分子激光器的寿命相当有限,例如由于所用气体的腐蚀性,材料从电极中烧蚀,强紫外光对光学材料的降解,以及气体被化学副产物和放电产生的灰尘污染。 后一个问题通常通过定期交换气体混合物来解决,例如每次在30万脉冲之后。 然而,为了保持电极和光学器件处于良好的性能状态,必须开发许多或多或少复杂的措施。 许多工程,例如使用耐腐蚀材料和先进的气体再循环和净化系统,在很大程度上减轻了准分子激光概念的挑战。 现代准分子激光器的寿命现在受到紫外线光学器件的限制,紫外线光学器件必须承受高通量的短波长辐射,大约是几十亿脉冲。

另一个挑战是提供非常短但强烈的电流脉冲。 这最初允许闸流管开关仅持续几周或几个月。 现代电力电子设备(带有固态高压开关)带来了实质性的进步。

准分子激光器的应用

紫外光谱区域的短波长使许多应用成为可能:

  • 使用光刻方法(微光刻)生成非常精细的图案,例如在半导体芯片生产中
  • 使用激光烧蚀或激光切割(例如在聚合物上)进行激光材料加工,利用许多材料中几微米量级的极短吸收长度,因此每平方厘米几焦耳的适度脉冲通量足以用于烧蚀
  • 脉冲激光沉积
  • 玻璃和塑料的激光打标和微结构
  • 激光退火,例如在显示器制造中
  • 光纤布拉格光栅的制造
  • 眼科(眼科手术),特别是通过193nm的ArF激光角膜重塑进行视力矫正;常用方法是激光原位角膜磨术 (LASIK) 和光屈光性角膜切除术 (PRK)
  • 用 308 nm 的 XeCl 激光治疗牛皮癣
  • 泵浦其他激光器,例如某些染料激光器
  • 核聚变的驱动因素

光刻在半导体器件制造中是一项非常重要的应用。 在这里,加工半导体晶片上的光刻胶通过结构光掩模被高功率紫外线照射。 准分子激光器可以产生的高功率紫外光对于获得较短的处理时间和相应的高通量至关重要,而短波长允许人们制造非常精细的结构(优化的技术甚至远低于光学波长)。 然而,光刻技术的最新发展要求极紫外(EUV)的波长更短,例如13.5nm,这不能再用准分子激光器生产。 某些激光产生的等离子体源被开发为该领域准分子激光器的继任者。 尽管如此,预计准分子激光器将在未来很长一段时间内用于制造许多半导体芯片,因为只有最先进的计算机芯片需要比这种技术更精细的结构。

激光安全

请注意,准分子激光器会引起各种安全问题,与高压的使用、有毒气体(卤素)的处理以及紫外线照射导致皮肤癌和眼睛损伤的风险有关。

准分子灯

也有准分子灯,它们基本上使用与准分子激光器相同的气体放电,但它们不包含激光谐振器,因此仅利用自发发射。 其中一些在连续波模式下运行,而不是脉冲放电。 它们可以用作紫外线光源,但具有空间漫射发射而不是定向良好的输出光束。

参考文献

[1] F. G. Houtermans, “Über Massen-Wirkung im optischen Spektralgebiet und die Möglichkeit absolut negativer Absorption für einige Fälle von Molekülspektren (Licht-Lawine)”, Helv. Phys. Acta 33, 933 (1960)
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[3] J. J. Ewing, “Excimer laser technology development”, JSTQE 6 (6), 1061 (2000), doi:10.1109/2944.902155
[4] Ch. K. Rhodes (Editor), Excimer Lasers, 2nd edition, Springer, Berlin (1998)
[5] D. Basting and G. Marowski (Editors), Excimer Laser Technology, Springer, Berlin (2004)

激光物理

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