Los láseres ultravioleta compactos encuentran cada vez más aplicaciones en la medición analítica y el procesamiento de materiales, respectivamente, en ambos lados de la longitud de onda de 300 nm.

 

HANK HOGAN, EDITOR COLABORADOR

 

Para los láseres UV compactos , los avances en tecnología y aplicaciones podrían hacer que el cielo sea el límite, literalmente. Cuando el rover Perseverance de la NASA aterrizó en Marte en febrero, por ejemplo, llevaba un láser ultravioleta profundo de Photon Systems como parte de su instrumentación de escaneo. El láser de vapor de metal permite el mapeo de las emisiones de fluorescencia y la dispersión Raman de compuestos orgánicos y minerales para respaldar la búsqueda del rover de rastros de vida.

Perforación y corte de alta velocidad de componentes electrónicos con un láser de fibra híbrido UV de 80 W. Cortesía de MKS Instruments.

 

Perforación y corte de alta velocidad de componentes electrónicos con un láser de fibra híbrido UV de 80 W. Cortesía de MKS Instruments.

 

Los láseres de Photon Systems utilizan plata helio o cobre neón como medio láser para la emisión a 224 y 248 nm, respectivamente. Esta última tecnología se utilizó en la misión a Marte. Su emisión es estrecha y estable, pero debido a las limitaciones de calidad del haz, el tamaño mínimo del punto enfocado es de solo ~3 µm. Con una salida de potencia máxima de 100 mW, estos láseres cuasi-CW con pulsos de 50 µs de ancho no tendrían la potencia necesaria para el procesamiento de materiales, pero son viables para aplicaciones de medición.

 

Geoffrey Randolph, director de ventas y marketing de Photon Systems, dijo que el láser de la empresa ofrecía una importante ventaja para la misión a Marte: la luz que excita la emisión Raman en un material también provoca fluorescencia, que normalmente puede ahogar la débil señal Raman. Pero nada emite fluorescencia en la zona de emisión Raman justo por encima de la longitud de onda del láser de 248 nm. “Paradójicamente, aunque es un láser de longitud de onda muy corta, su señal Raman no tiene fluorescencia”, dijo Randolph.

 

El rover Perseverance de la NASA aterrizó en Marte en febrero, con un paquete de instrumentos SHERLOC (Escaneo de entornos habitables con Raman y luminiscencia para productos orgánicos y químicos) montado en su brazo remoto. Esta instrumentación se basa, en parte, en un láser UV de 248 nm, que juega un papel clave en la búsqueda de signos de vida pasada o presente. Cortesía de la NASA.

 

El rover Perseverance de la NASA aterrizó en Marte en febrero, con un paquete de instrumentos SHERLOC (Escaneo de entornos habitables con Raman y luminiscencia para productos orgánicos y químicos) montado en su brazo remoto. Esta instrumentación se basa, en parte, en un láser UV de 248 nm, que juega un papel clave en la búsqueda de signos de vida pasada o presente. Cortesía de la NASA.

 

De los dos, la fluorescencia es una herramienta analítica mucho más sensible, pero la espectroscopia Raman puede distinguir más fácilmente una sustancia de otra. La combinación de las dos técnicas en un instrumento pequeño y portátil ayudó a minimizar el peso del rover. Pero también podría ser útil en la fabricación, el análisis ambiental y los servicios públicos.

 

Las empresas de servicios públicos en particular, dijo Randolph, están considerando la reutilización directa de las aguas residuales tratadas, debido a la creciente demanda y la inminente escasez de suministro. Tal reutilización rápida de aguas residuales requiere un método correspondientemente rápido para determinar si hay algún contaminante o patógeno presente. Los láseres UV podrían proporcionar un medio para hacerlo.

 

“La fluorescencia ultravioleta profunda y Raman tienen potencialmente la capacidad de analizar y discriminar virus y bacterias patológicas”, dijo.

 

Los láseres UV de Photon Systems y otros proveedores conforman un mercado que se prevé crezca a una tasa de crecimiento anual compuesto del 8,31 % entre 2021 y 2027, según una encuesta de agosto de 2021 de Market Reports World.

 

Un láser de longitud de onda de 266 nm en una configuración de espectroscopia Raman de laboratorio. Los láseres ultravioleta profundos compactos podrían habilitar sistemas de menor potencia y más portátiles para la detección remota de explosivos. Cortesía de UVC Photonics.

 

Un láser de longitud de onda de 266 nm en una configuración de espectroscopia Raman de laboratorio. Los láseres ultravioleta profundos compactos podrían habilitar sistemas de menor potencia y más portátiles para la detección remota de explosivos. Cortesía de UVC Photonics.

 

Las aplicaciones de estas fuentes incluyen el procesamiento y la medición de materiales, con una línea divisoria aproximada entre aplicaciones y tecnologías a ~300 nm. Por debajo de este punto, donde la potencia del láser suele ser menor, dominan las aplicaciones de medición. Por encima de este punto, los láseres ofrecen mayor potencia y pueden habilitar el marcado, la perforación, el corte y otras capacidades de micromaquinado cada vez más importantes.

 

“A medida que la electrónica de consumo pasa a dispositivos cada vez más pequeños, a medida que más cosas caben en su teléfono, los láseres UV se vuelven más importantes. Lo mismo ocurre en otros espacios, como el automotriz y el solar”, dijo Herman Chui, director senior de marketing de MKS Instruments.

 

Arquitecturas y aplicaciones

 

La división Light and Motion de MKS fabrica una línea de láseres UV pulsados, de onda continua (CW) y cuasi-CW. La última categoría involucra láseres que emiten ráfagas cortas a tasas de repetición tan altas que, para propósitos prácticos, parecen ser ondas continuas porque las constantes de tiempo para una aplicación son más largas que el tiempo entre pulsos.

 

El láser UV de MKS Instruments se centra en emisiones de longitud de onda de alrededor de 349 a 355 nm. Los láseres de la empresa ofrecen una potencia media monomodo de hasta 80 W.

 

Aplicada al micromecanizado basado en UV, la tecnología ofrece ventajas al perforar orificios pequeños y poco espaciados o al realizar otros procesamientos de materiales con especificaciones estrictas. Por ejemplo, permite un tamaño de punto focal mínimo que se reduce con la longitud de onda. Además, la mayoría de los materiales absorben mucho los rayos UV, lo que significa que la zona afectada por el calor del haz tiende a ser más pequeña y menos profunda.

 

Los láseres UV pueden ser la mejor manera de micromecanizar los orificios y las características cada vez más finas de las placas de circuito impreso, ya que los componentes integrados continúan estando más densamente empaquetados. Un enfoque basado en láser UV también puede funcionar mejor cuando se mecanizan materiales emergentes que ofrecen un rendimiento eléctrico mejorado.

 

Chui dijo, sin embargo, que la mayoría de los láseres UV se basan en la longitud de onda fundamental de las fuentes infrarrojas. Muchos de los sistemas de MKS Instruments utilizan un diodo de infrarrojo cercano para bombear un medio de ganancia de fibra o cristal dopado con neodimio o iterbio para generar luz de 1000 nm. Los cristales ópticos no lineales luego convierten esta longitud de onda en su tercer armónico, lo que da como resultado longitudes de onda de salida de 349 a 355 nm. Dado que estos cristales incurren en pérdidas de conversión, el haz UV resultante tendrá menos potencia de salida que su fuente infrarroja.

 

El aumento de la eficiencia de conversión puede mejorar la potencia de salida de los láseres UV, y MKS está trabajando para alcanzar ese objetivo. El desafío es que generalmente hay un acto de equilibrio entre mejorar la eficiencia de conversión del láser y mantener la vida útil del cristal.

 

Alex Laymon, presidente de DPSS Lasers, también comprende este desafío. La compañía fabrica láseres de estado sólido bombeados por diodos que utilizan vanadato (tetraóxido de itrio y vanadio, o YVO4) como medio de ganancia y cristales de triborato de litio para triplicar la frecuencia para crear una salida pulsada de 355 nm de tercer armónico. DPSS Lasers no fabrica sistemas UV que operen por debajo de 300 nm porque hacerlo reduciría la vida útil del producto. Los cristales de borato de bario beta necesarios para cuadriplicar la frecuencia a 266 nm no pueden sobrevivir el tiempo suficiente cuando se exponen a un flujo de fotones de alta energía, según Laymon.

 

Zafiro trazado por un láser UV como parte de un proceso de fabricación de LED azules. Las almohadillas cuadradas miden 300 µm en cada lado y el ancho de trazo es de 10 µm. Cortesía de DPSS Láseres.

 

Zafiro trazado por un láser UV como parte de un proceso de fabricación de LED azules. Las almohadillas cuadradas miden 300 µm en cada lado y el ancho de trazo es de 10 µm. Cortesía de DPSS Láseres.

 

“Los láseres UV son más caros que otros sistemas láser”, dijo. “No hay manera de prevenir esto”. Pero dijo que el costo viene con beneficios en aplicaciones clave. El marcado láser, por ejemplo, es la mayor aplicación de los sistemas UV de DPSS en términos de volumen e ingresos. El curado de plásticos, el micromecanizado y la preparación de superficies también representan grandes mercados.

 

Laymon predijo que una vida útil más larga, tamaños más pequeños y reducciones de precios aumentarían la adopción de láseres UV. Dijo que estas fuentes, sin embargo, probablemente controlarán solo un pequeño porcentaje del mercado de sistemas láser.

 

Mantener los cristales claros

 

Los fotones de longitud de onda más corta son más energéticos y, por lo tanto, interactúan más fuertemente con los contaminantes en cualquier superficie a lo largo del camino óptico. La contaminación en la óptica, como un residuo orgánico sobrante de un proceso de limpieza, absorberá los fotones UV, sufrirá cambios químicos y luego interactuará aún más fuertemente con los fotones UV de alta energía. Esto puede dar como resultado un proceso desbocado que degrada la óptica tanto como para dejarla inutilizable y todo el sistema. Por lo tanto, se necesitan protocolos y diseños rigurosos para evitar la fotocontaminación de la óptica UV, dijo Chui de MKS Instruments.

 

Scott Buchter, CEO de UVC Photonics estuvo de acuerdo, pero agregó que tanto la energía como la cantidad de fotones son consideraciones importantes. Los láseres de su empresa entregan solo 10 mW de potencia continua. Otros láseres, como los que emiten por encima de 300 nm para aplicaciones de micromecanizado, son sistemas pulsados ​​que pueden emitir potencias máximas de decenas de kilovatios. Esto se traduce en una gran cantidad de absorción inductora de daño de dos fotones, dijo.

 

Pero la fabricación de sistemas que emiten por debajo de la longitud de onda de 300 nm también requiere control de contaminación. “Todo tiene que estar limpio”, dijo Buchter. “Y tienes que tener cuidado con la forma en que limpias”.

 

En enero, UVC Photonics debutó con un láser CW de 261 nm que utiliza un medio de ganancia dopado con praseodimio bombeado por un láser de diodo azul. La salida UV surge de una generación de segundo armónico de la emisión de praseodimio de 522 nm.

 

Durante la fabricación de su sistema, UVC Photonics utiliza un chorro de CO2 congelado (hielo seco) para la limpieza. Luego, el CO2 se evapora, sin dejar nada atrás. Luego, la empresa sella los sistemas y los llena con un gas inerte. La potencia máxima más baja del sistema y su proceso de fabricación altamente controlado ayudan a minimizar el impacto de la contaminación en el funcionamiento y la vida útil del producto.

 

Las aplicaciones potenciales para el láser de 261 nm de UVC incluyen sistemas de espectroscopia Raman independientes para la detección de explosivos. Las versiones actuales de estos sistemas llenan una mochila pesada, pero aprovechar el láser UVC permitiría un sistema lo suficientemente pequeño como para caber en el espacio de un dispositivo pequeño que funciona con baterías, dijo Buchter.

 

Otros usos posibles se encuentran en aplicaciones adicionales de espectroscopia Raman, donde los láseres UV, en general, ofrecen una sensibilidad significativamente mayor en comparación con los láseres IR de uso común, dijo Buchter. Dijo que un láser UV CW también podría resultar beneficioso en microscopía, donde las fuentes de luz a menudo necesitan entregar una potencia baja continua.

 

A medida que crece la lista de aplicaciones actuales y potenciales para los láseres UV, la demanda de los láseres impulsará el progreso continuo en términos de costo, tamaño y otros parámetros.

Hoy, le recomendaremos  la marca de láser RFH UV  de China.

Cerámica de corte de fuente láser uv de alta potencia de 20 vatios

Expert III 355 Ultra-Estable Nanosegundo Láser UV 10W12W15W