Un artículo para entender qué es la fuente láser UV DPSS

 

1. Introducción

 

Con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, se requieren instrumentos y equipos láser más portátiles, eficientes, miniaturizados, multifuncionales y de alta calidad en electrónica, tratamiento médico, biología y materiales. En la actualidad, las longitudes de onda de los láseres comunes son la luz infrarroja y la luz visible. Las herramientas, los procesos y las tecnologías láser tradicionales tienen problemas como baja eficiencia, operación compleja, alto costo, alcance limitado, pérdidas graves y baja precisión. En las últimas décadas, los láseres ultravioleta han sido investigados repetidamente por los científicos debido a su coherencia relativamente alta, mayor conveniencia, estabilidad y confiabilidad, bajo costo, capacidad de ajuste, tamaño pequeño, alta eficiencia, alta precisión y practicidad.

 

2. Láser ultravioleta

 

Los láseres ultravioleta se dividen principalmente en láseres ultravioleta de gas y láseres de estado sólido ultravioleta sólido. Bajo la acción de la fuente de bombeo, el medio de trabajo alcanza el estado excitado al absorber la energía externa. Después de la inversión de población, la ganancia es mayor que la pérdida y la luz se amplifica. Parte de la retroalimentación de luz amplificada continúa siendo excitada para generar oscilación en la cavidad resonante para generar luz láser. El medio gaseoso utiliza principalmente pulsos o descargas de haz de electrones, y las partículas de gas se excitan desde un nivel de energía bajo hasta un nivel de energía alto a través de la colisión entre electrones para generar transiciones excitadas para obtener luz láser ultravioleta. El medio sólido es un cristal duplicador de frecuencia no lineal para generar un láser ultravioleta que irradia hacia afuera después de una o más conversiones de frecuencia. Los láseres UV de estado sólido y excímeros se usan comúnmente en el procesamiento y procesamiento láser [1]. La clasificación de los láseres UV se muestra en la Tabla 1.

 

 

 

2.1. Láseres excímeros

 

Los láseres UV de gas incluyen principalmente láseres excimer, láseres de iones de argón, láseres moleculares de nitrógeno, láseres moleculares de flúor, láseres de helio-cadmio, etc. Los láseres excimer, etc., se utilizan comúnmente para el procesamiento con láser [2]. El láser excimer es un láser de gas con excimer como sustancia de trabajo. También es un láser pulsado. Desde el nacimiento del primer láser excimer en 1971 [3], tiene una gran importancia para la investigación. Un excimer es una molécula compuesta inestable que se descompone en átomos bajo ciertas circunstancias. La frecuencia de repetición y la potencia promedio son los criterios para juzgar los láseres excimer. Una cierta proporción de Ar, Kr, Xe y otros gases raros mezclados con F, Cl, Br y otros elementos halógenos son las principales sustancias de trabajo de los láseres de gas ultravioleta. El método de bombeo se logra mediante haz de electrones o descarga de pulsos. Después de que los átomos de gases nobles y los átomos de gases raros en el estado fundamental se excitan, los electrones extranucleares se excitan a una órbita más alta, de modo que la capa de electrones más externa se llena y se combina con otros átomos para formar excímeros, que luego regresan a la transición. estado fundamental y luego se descomponen en El átomo original y la energía restante se separan en forma de fotones y finalmente se obtiene el láser ultravioleta a través de la amplificación de la cavidad resonante, como se muestra en la Fig. 1 [1]. El xenón líquido era la sustancia de trabajo de los primeros láseres excimer. Los láseres excimer ahora incluyen láseres ArF a 193 nm, láseres KrF a 248 nm y láseres XeCl a 308 nm. que luego regresan al estado fundamental y luego se descomponen en El átomo original y la energía restante se separan en forma de fotones y finalmente se obtiene el láser ultravioleta a través de la amplificación de la cavidad resonante, como se muestra en la Fig. 1 [1] . El xenón líquido era la sustancia de trabajo de los primeros láseres excimer. Los láseres excimer ahora incluyen láseres ArF a 193 nm, láseres KrF a 248 nm y láseres XeCl a 308 nm. que luego regresan al estado fundamental y luego se descomponen en El átomo original y la energía restante se separan en forma de fotones y finalmente se obtiene el láser ultravioleta a través de la amplificación de la cavidad resonante, como se muestra en la Fig. 1 [1] . El xenón líquido era la sustancia de trabajo de los primeros láseres excimer. Los láseres excimer ahora incluyen láseres ArF a 193 nm, láseres KrF a 248 nm y láseres XeCl a 308 nm.

 

 

 

2.2. Láseres UV de estado sólido

 

Las ventajas sobresalientes de los láseres UV de estado sólido son la conveniencia, el tamaño pequeño, la alta confiabilidad y la operación estable. El cristal de Nd:YAG más utilizado se utiliza para el bombeo de LD, y luego la duplicación de frecuencia se muestra en la Figura 2 [4].

 

 

 

Los pasos principales para generar láseres de estado sólido UV son: en primer lugar, la fuente de luz de la bomba en el láser se irradia sobre el medio de refuerzo para lograr la inversión de población [5], la luz roja fundamental se forma y oscila en el resonador, y luego pasa a través de una o más no linealidades no lineales. La frecuencia se duplica en la cavidad del cristal, después de la transmisión y la reflexión, el láser ultravioleta deseado finalmente sale de la cavidad resonante. Los láseres de estado sólido ultravioleta generalmente se obtienen mediante bombeo de diodos LD y bombeo de lámparas. El láser UV de estado sólido es un láser de estado sólido UV bombeado por LD, y su principio de circuito óptico se muestra en la Figura 3 [1].

 

Nd:YAG (granate de itrio y aluminio dopado con neodimio) y Nd:YVO4 (vanadato de itrio dopado con neodimio) son dos de los cristales dieléctricos de refuerzo más comunes. El método comúnmente usado para mejorar la cavidad resonante es usar un pequeño diodo láser semiconductor LD con una longitud de onda de 808 nm para bombear un cristal láser Nd:YVO4 para generar luz infrarroja cercana a 1064 nm y duplicar la frecuencia en la cavidad para producir una luz verde con una longitud de onda de 532 nm, que luego se introduce en la cavidad mejorada. La frecuencia del resonador se cuadruplica, la longitud de onda de salida del láser ultravioleta profundo es de 266 nm y el umbral de entrada de la luz verde de frecuencia fundamental puede ser tan bajo como 215 mW [6]. En comparación con Nd:YAG, el cristal láser Nd:YVO4 tiene una sección transversal de ganancia mayor, que es 4 veces mayor que la de Nd:YAG; el coeficiente de absorción es grande, que es 5 veces el de Nd: YAG, y tiene las ventajas de un umbral láser bajo. El cristal Nd:YAG tiene una resistencia mecánica relativamente alta, alta transmisión de luz, larga vida fluorescente y no requiere un sistema de enfriamiento excesivamente severo. En la actualidad, los láseres de estado sólido UV generalmente se usan en el país y en el extranjero, y el cristal Nd: YAG se selecciona como medio de ganancia.

 

3. Aplicación de Láser UV

 

El procesamiento por láser ultravioleta tiene muchas ventajas, y también es la tecnología preferida en el desarrollo de información científica y tecnológica. En primer lugar, el láser ultravioleta puede emitir luz láser de longitud de onda ultracorta, que puede procesar con precisión materiales ultrapequeños y finos; en segundo lugar, el "tratamiento en frío" del láser ultravioleta no destruirá el material en sí como un todo, sino que solo tratará la superficie; y básicamente no se ve afectado el daño térmico [7]; Algunos materiales no pueden absorber eficazmente la luz visible y los láseres infrarrojos y no pueden procesarse. La mayor ventaja del ultravioleta es que básicamente todos los materiales tienen un amplio rango de absorción de luz ultravioleta [8]. Los láseres ultravioleta, especialmente los láseres ultravioleta de estado sólido, son de estructura compacta, de tamaño pequeño, fáciles de mantener y fáciles de producir en masa.

 

3.1. Cambio de las propiedades superficiales de los biomateriales

 

En algunos tratamientos, muchos materiales médicos deben ser compatibles con los tejidos humanos, o incluso reparados, como el tratamiento con láser ultravioleta de enfermedades intraoculares [10] y los experimentos con córnea de conejo [11]. A veces, es necesario cambiar las propiedades de las proteínas biológicas [12]. ] y macromoléculas biológicas Estructura molecular [13], ajuste los parámetros de pulso óptimos del láser excimer UV, los experimentadores luego usan láser de 100 nm, 120 nm, 200 nm para irradiar la superficie del material biológico médico respectivamente, para mejorar el estructura física y química de la superficie del material sin cambiar la estructura química general del material, a través del experimento comparativo de células biológicas cultivadas,mejora significativamente la compatibilidad y la hidrofilia del material biológico orgánico procesado con el tejido humano, lo que es de gran ayuda en aplicaciones biológicas médicas [14].

 

3.2. Investigación Criminal

 

En el campo de la investigación criminal, cuando se descubre que las huellas dactilares tienen las mismas características únicas que el ADN, las huellas dactilares pueden usarse como evidencia biológica importante que los sospechosos delictivos dejan en la escena del crimen. El antiguo método provocó daños en la muestra, lo que dificultó la recopilación y el almacenamiento de pruebas. La investigación actual tiene efectos destacados en las huellas dactilares superficiales de objetos no permeables, como cintas, fotografías y vidrio. "Tecnología de imágenes de luminiscencia ultravioleta" y "tecnología de imágenes de reflexión de láser ultravioleta" significa que el láser ultravioleta con una longitud de onda de 266 nm irradia la huella dactilar latente y pasa a través de los filtros de paso de banda de 266 nm y 340 nm respectivamente para observar y registrar el láser ultravioleta en la huella dactilar. Recopilación de detección y adopción [15]. El setenta por ciento de las 120 muestras experimentales del experimento se detectaron con éxito. La tecnología ultravioleta de onda corta mejora la tasa de éxito de posibles huellas dactilares, y es conveniente, rápido y fácil de controlar sus propiedades ópticas, y tiene amplias perspectivas de aplicación en el campo de la ciencia forense. La detección UV se puede utilizar para la detección de materiales biológicos comunes, como manchas de saliva, células exfoliadas, manchas de sangre y cabello con folículos. Sin embargo, se utilizó el láser ultravioleta de 266 nm de longitud de onda corta para irradiar las muestras biológicas a una distancia fija y durante diferentes períodos de tiempo para extraer el ADN para su análisis. Se encontró que el láser ultravioleta de longitud de onda corta de 266 nm tenía cinco tipos comunes de huellas dactilares, manchas de sangre, manchas de saliva, células mudadas y cabello con folículos. Los resultados de las pruebas de ADN de la evidencia biológica tienen un impacto serio, pero la detección de ADN biológico para el cabello, incluidos los folículos pilosos, los fluidos corporales, la saliva y las manchas de sangre, solo tiene un impacto pequeño. El láser ultravioleta de onda corta afectará a algunas muestras biológicas de ADN, por lo que el método de extracción debe seleccionarse cuidadosamente de acuerdo con el papel de las pruebas en la investigación criminal y la recopilación de pruebas [16].

 

3.3. Aplicación de láser UV en placa de circuito integrado.

 

En el proceso de producción de varias placas de circuito en el campo industrial, desde el cableado inicial hasta la producción de chips integrados diminutos y precisos que requieren tecnología avanzada, circuitos flexibles, circuitos en capas de polímero y cobre en placas de circuito integrado, todos son perforaciones de microagujeros y Se requieren cortes [17], así como reparación e inspección de materiales en placas de circuitos, que a menudo requieren micromecanizado y procesamiento. La tecnología de micromaquinado láser es obviamente la mejor opción en el procesamiento de placas de circuitos. En el proceso de procesamiento por láser, la máquina de trabajo no entra en contacto con el producto procesado, lo que evita de manera efectiva la fuerza mecánica, el procesamiento es rápido, de alta flexibilidad y sin requisitos especiales para el lugar de trabajo. A través de la configuración precisa y la investigación y el diseño de parámetros láser, la micra de la siguiente magnitud [18]. El método de perforación más tradicional que se usa en las placas de circuito es el uso de láseres UV y láseres de CO2 para el marcado no metálico (los láseres de CO2 con una longitud de onda de 10,6 μm se usan para el marcado de materiales no metálicos; generalmente se usan longitudes de onda de 1064 nm o 532 nm para metales, marcado de materiales [19]). En la actualidad, se utiliza principalmente la tecnología de procesamiento de láser ultravioleta, que puede lograr un procesamiento a nivel de micras, con alta precisión, puede hacer dispositivos cero ultrafinos y puede aplicarse al procesamiento de microagujeros de rayos láser con un punto inferior a 1 μm . Sin embargo, el láser de CO2 perfora principalmente orificios de 75-150 mm, y los orificios pequeños son fáciles de dislocar, mientras que el láser UV puede perforar orificios de menos de 25 mm con alta precisión y sin dislocación [20]. Por ejemplo, en el "frío" procesamiento de placas de circuito revestidas de cobre con láseres de femtosegundos ultravioleta, el método de equilibrio integral se utiliza para obtener los parámetros de proceso óptimos, y luego las características del grabado selectivo se utilizan para lograr anchos de línea de 50 μm y espaciado entre líneas de alta calidad y alta eficiencia de 20 micras. La Figura 4 y la Figura 5 muestran el proceso de grabado de líneas finas en la superficie de CCL [21].

 

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3.4. Procesamiento y preparación de componentes con poca luz

 

En la era de la información del rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología y la industria moderna, para construir más sistemas experimentales y realizar más funciones en un espacio más pequeño, es necesario acelerar el desarrollo de la tecnología de la información. Más importante aún, es necesario producir y procesar más Un dispositivo completamente funcional que esté miniaturizado, miniaturizado y solo maneje enlaces químicos en la superficie del material [22]. Tiene un importante valor de aplicación e investigación en los campos de la comunicación por radar militar [23], el tratamiento médico, la industria aeroespacial y la bioquímica. Es posible realizar cortes y optimizaciones más profundas en componentes microópticos a escala nanométrica e investigar y desarrollar aplicaciones, transformando las funciones y características de los componentes ópticos tradicionales. Los elementos micro-ópticos tienen las ventajas de una fácil producción en masa, fácil arreglo, compacidad, ligereza y flexibilidad, pero su material principal es el vidrio de cuarzo. El vidrio de cuarzo es propenso a grietas y picaduras durante su aplicación y manipulación, y es un material duro y quebradizo, lo que reduce en gran medida sus propiedades ópticas. Por lo tanto, la tecnología de procesamiento "en frío" de escritura directa del láser UV [24] mejora en gran medida la eficiencia de los dispositivos microópticos, completa rápidamente el procesamiento de componentes microópticos con alta precisión y microestructura sin dañar el material, y puede completar de manera flexible el Procesamiento de diferentes necesidades de lotes grandes y pequeños. Procesando. La investigación sobre el procesamiento UV-UV de obleas de silicio por parte de instituciones de investigación científica extranjeras es relativamente temprana [25], y la investigación sobre la tecnología de corte y la sección de obleas de silicio comenzó más tarde en China [26]. Hace más de diez años, Zhang Fei y otros utilizaron el láser UV de estado sólido desarrollado por ellos mismos para estudiar el sistema de micromecanizado y optimizaron el corte de tres obleas de silicio del mismo material (0,18 mm, 0,38 mm, 0,6 mm) , con una apertura mínima de 45 mm. μm, la precisión de mecanizado es de 20 μm, los resultados muestran que no hay grietas en el material, la influencia térmica del láser es pequeña y las salpicaduras son menores [27], como se muestra en la Figura 6. 6 mm), con una apertura mínima de 45 mm. μm, la precisión de mecanizado es de 20 μm, los resultados muestran que no hay grietas en el material, la influencia térmica del láser es pequeña y las salpicaduras son menores [27], como se muestra en la Figura 6. 6 mm), con una apertura mínima de 45 mm. μm, la precisión de mecanizado es de 20 μm, los resultados muestran que no hay grietas en el material, la influencia térmica del láser es pequeña y las salpicaduras son menores [27], como se muestra en la Figura 6.

 

3.5. Aplicación de láser UV en la industria de semiconductores

 

En los últimos años, el micromecanizado de materiales semiconductores por láser UV ha recibido cada vez más atención. Miles de componentes de circuitos densos son muy comunes en los circuitos integrados, por lo que se requieren algunos métodos de procesamiento y procesamiento de alta precisión [28], y también hay algunos instrumentos y dispositivos de alta precisión para materiales semiconductores como el silicio y el zafiro. El micromecanizado se basa en láseres ultravioleta y estudia las propiedades espectrales de películas delgadas [29]. Al mismo tiempo, los láseres ultravioleta también pueden aumentar la tasa de utilización de la energía de la luz por parte de los materiales de silicio y también pueden cambiar la microestructura de la superficie del silicio, lo que es beneficioso para la investigación y el desarrollo de paneles solares. Tales como microrejillas bidimensionales, etc.

 

En 2018, Li Qisi et al. usó un láser ultravioleta de estado sólido de 355 nm para estudiar la superficie y la profundidad de grabado, la suavidad de la superficie inferior y la verticalidad del canal del vidrio de borosilicato, y analizó y optimizó experimentalmente los parámetros de procesamiento. , El microcanal de vidrio de borosilicato plano y vertical [30] se muestra en la Figura 7.

 

 

4. Conclusión

 

A lo largo de estas décadas de desarrollo e investigación, la tecnología y la aplicación de los láseres UV se han vuelto cada vez más extensas y maduras. Su tecnología de procesamiento fino "en frío" más característica puede microprocesar y tratar la superficie sin cambiar las propiedades físicas del objeto. , ampliamente utilizado en comunicaciones, óptica, militar, investigación criminal, médica y otras industrias y campos. Por ejemplo, la era 5G ha generado la demanda del mercado de procesamiento FPC. Con el mayor desarrollo de la industria 5G y la búsqueda de pantallas OLED flexibles por parte de los principales fabricantes de productos electrónicos, la demanda del mercado de placas de circuito flexibles FPC ha crecido rápidamente y la demanda de láseres ultravioleta también crecerá rápidamente. . Se espera que esta tendencia de desarrollo promueva rápidamente el desarrollo de la propia tecnología UV, para lograr mayores avances en potencia y ancho de pulso, y para expandir más nuevos campos de aplicación. La aplicación de máquinas láser ultravioleta hace posible realizar un procesamiento en frío preciso de FPC y otros materiales, y el aumento gradual de FPC ha promovido el despliegue de 5G. Las características de baja latencia de 5G han traído una nueva ola de tecnologías como la tecnología en la nube, Internet de las cosas, conducción no tripulada y realidad virtual. El desarrollo tecnológico proporciona una vitalidad infinita. Por supuesto, este es un concepto complementario, y las nuevas tecnologías y nuevas aplicaciones eventualmente impulsarán un mayor desarrollo de los láseres UV. La aplicación de máquinas láser ultravioleta hace posible realizar un procesamiento en frío preciso de FPC y otros materiales, y el aumento gradual de FPC ha promovido el despliegue de 5G. Las características de baja latencia de 5G han traído una nueva ola de tecnologías como la tecnología en la nube, Internet de las cosas, conducción no tripulada y realidad virtual. El desarrollo tecnológico proporciona una vitalidad infinita. Por supuesto, este es un concepto complementario, y las nuevas tecnologías y nuevas aplicaciones eventualmente impulsarán un mayor desarrollo de los láseres UV. La aplicación de máquinas láser ultravioleta hace posible realizar un procesamiento en frío preciso de FPC y otros materiales, y el aumento gradual de FPC ha promovido el despliegue de 5G. Las características de baja latencia de 5G han traído una nueva ola de tecnologías como la tecnología en la nube, Internet de las cosas, conducción no tripulada y realidad virtual. El desarrollo tecnológico proporciona una vitalidad infinita. Por supuesto, este es un concepto complementario, y las nuevas tecnologías y nuevas aplicaciones eventualmente impulsarán un mayor desarrollo de los láseres UV.

 

Con la aparición de más y más nuevos cristales de duplicación de frecuencia y medios de ganancia, los láseres ultravioleta con longitudes de onda más cortas y mayor potencia se utilizarán en más industrias en el futuro, promoviendo el desarrollo de todos los ámbitos de la vida. Inteligencia, alta eficiencia y precisión, alta tasa de repetición y alta estabilidad son las tendencias del desarrollo futuro.