Introducción
Con el rápido desarrollo de la tecnología, existe la necesidad de equipos láser más livianos, más eficientes, más pequeños, multifuncionales y de alta calidad para electrónica, terapia médica, biología y materiales. Actualmente, los láseres comunes están disponibles en longitudes de onda infrarrojas y visibles. Las herramientas, procesos y tecnologías láser tradicionales sufren de baja eficiencia, operación compleja, altos costos, rango restringido, pérdidas severas y baja precisión. Los láseres UV han sido investigados repetidamente por científicos en las últimas décadas por su coherencia, conveniencia, estabilidad y confiabilidad relativamente altas, bajo costo, capacidad de ajuste, tamaño pequeño, alta eficiencia, precisión y practicidad.
2. Láseres ultravioleta
Los láseres UV se dividen principalmente en láseres UV de gas y láseres de estado sólido UV sólidos. El medio de trabajo alcanza un estado excitado al absorber energía externa bajo la acción de la fuente de bombeo, y después de que la ganancia de inversión del número de partículas es mayor que la pérdida, la luz se amplifica y parte de la luz amplificada se retroalimenta para continuar la excitación. generar oscilación en la cavidad resonante para producir el láser. Los medios de gas se utilizan principalmente en descargas pulsadas o de haces de electrones, donde las colisiones entre electrones excitan las partículas de gas desde niveles de energía bajos a niveles de energía altos para producir saltos excitados para obtener láseres UV. El medio sólido es un cristal duplicador de frecuencia no lineal que produce luz láser UV que irradia hacia el exterior después de una o más transiciones de frecuencia. Los láseres UV de estado sólido y de excímeros se utilizan comúnmente para el procesamiento y la manipulación con láser.
2.1. Láseres excímeros
Los principales láseres UV de gas son los láseres excimer, los láseres de iones de argón, los láseres moleculares de nitrógeno, los láseres moleculares de flúor, los láseres de helio cadmio, etc. Los láseres excimer, etc., se utilizan comúnmente para el procesamiento láser. Los láseres de excimer son láseres de gas con excimer como sustancia de trabajo. También son láseres pulsados y han sido de gran interés para la investigación desde que se creó el primer láser excimer en 1971. El excimer es una molécula compuesta inestable que se descompone en átomos en determinadas circunstancias. La frecuencia de repetición y la potencia promedio son la base para juzgar los láseres excimer. Una cierta proporción de gases raros como Ar, Kr y Xe mezclados con elementos halógenos como F, Cl y Br son las principales sustancias de trabajo de los láseres de gas UV, que se bombean mediante haces de electrones o descargas pulsadas. Cuando se excitan los átomos de gases nobles y raros en el estado fundamental, los electrones fuera del núcleo se excitan a orbitales más altos, de modo que la capa de electrones más externa se llena y se combina con otros átomos para formar cuasimoléculas, que luego saltan de regreso al estado fundamental y se descomponen en los átomos originales. El xenón líquido fue la sustancia de trabajo de los primeros láseres excimer. Los láseres excímeros actuales también incluyen el láser ArF a 193 nm, el láser KrF a 248 nm y el láser XeCl a 308 nm.
2.2. Láseres UV de estado sólido
Las ventajas sobresalientes de los láseres UV de estado sólido son su tamaño pequeño conveniente, alta confiabilidad y estabilidad operativa. El más utilizado es el cristal Nd:YAG habitual para el bombeo de LD, que luego se duplica en frecuencia.
Los pasos principales en la generación de un láser UV de estado sólido son, en primer lugar, el bombeo de la fuente de luz en el láser sobre el medio intensificador para lograr la inversión del número de partículas, la formación y oscilación de la luz roja fundamental en la cavidad resonante, luego la duplicación de la frecuencia en la cavidad por uno o más cristales no lineales y, finalmente, la salida del láser UV deseado desde la cavidad resonante después de la transmisión y la reflexión. Los láseres UV de estado sólido generalmente se obtienen mediante el uso de métodos de bombeo de lámparas y diodos de baja densidad. Los láseres UV de estado sólido son láseres de estado sólido UV bombeados por LD.
Nd:YAG (granate de itrio y aluminio dopado con neodimio) y Nd:YVO4 (vanadato de itrio dopado con neodimio) son dos de los tipos más comunes de cristales de medios reforzados. Un método común para mejorar las cavidades resonantes es usar un pequeño diodo láser semiconductor LD bombeado con un cristal láser Nd:YVO4 a una longitud de onda de 808 nm para producir luz infrarroja cercana a 1064 nm. En comparación con Nd:YAG, el cristal láser Nd:YVO4 tiene una sección transversal de ganancia mayor, cuatro veces la de Nd:YAG, un coeficiente de absorción mayor, cinco veces la de Nd:YAG y un umbral de láser más bajo. En comparación con Nd:YAG, el cristal láser Nd:YVO4 tiene una sección transversal de ganancia mayor, cuatro veces la de Nd:YAG, un coeficiente de absorción mayor, cinco veces la de Nd:YAG y un umbral de láser más bajo. Los cristales Nd:YAG tienen alta resistencia mecánica, alta transmisión de luz, larga vida de fluorescencia y no requieren un sistema de enfriamiento y disipación de calor severo.
3. Aplicaciones de los láseres UV
El procesamiento por láser UV tiene muchas ventajas y actualmente es la tecnología de elección en el desarrollo de información tecnológica. En primer lugar, el láser UV puede emitir longitudes de onda ultracortas de luz láser, que pueden tratar con precisión materiales ultrapequeños y finos; en segundo lugar, el "tratamiento en frío" del láser UV no destruye el material en sí como un todo, sino que solo trata su superficie; además, básicamente no hay efecto de daño térmico. Algunos materiales no absorben los láseres visible e infrarrojo de manera efectiva, lo que los hace imposibles de procesar. La mayor ventaja de los rayos ultravioleta es que, básicamente, todos los materiales absorben la luz ultravioleta más ampliamente. Los láseres UV, especialmente los láseres UV de estado sólido, son compactos y pequeños, fáciles de mantener y fáciles de producir en grandes cantidades. Los láseres UV se utilizan en una amplia gama de aplicaciones en el procesamiento de biomateriales médicos, análisis forense en casos penales, placas de circuitos integrados, la industria de semiconductores, componentes microópticos, cirugía, comunicaciones y radar, y procesamiento y corte por láser.
3.1. Modificación de propiedades superficiales de materiales biológicos
En algunos tratamientos, muchos materiales médicos deben ser compatibles con el tejido humano o incluso repararse, como el tratamiento con láser ultravioleta de enfermedades intraoculares y experimentos en córneas de conejo que a veces requieren cambios en las propiedades biológicas de las proteínas y las estructuras biomoleculares. Después de ajustar los parámetros de pulso óptimos del láser excimer UV, los experimentadores irradiaron la superficie de biomateriales médicos con láseres de 100 nm, 120 nm y 200 nm respectivamente, mejorando así la estructura fisicoquímica de la superficie del material y sin cambiar la estructura química general de el material, y hacer que los biomateriales orgánicos tratados sean significativamente más compatibles e hidrofílicos con los tejidos humanos a través de experimentos comparativos con células biológicas cultivadas, lo que es de gran ayuda en aplicaciones biológicas médicas.
3.2. En el campo de la investigación criminal
En el campo de la investigación criminal, las huellas dactilares se han utilizado como evidencia biológica importante que los sospechosos dejan en la escena del crimen en casos criminales desde que se descubrió que las huellas dactilares son tan únicas como el ADN. Una vez que los métodos antiguos pueden provocar daños en la muestra y dificultar la recolección y el almacenamiento de exhibiciones. La investigación actual tiene resultados sobresalientes para la apariencia de huellas dactilares en la superficie de objetos no penetrantes, como cintas, fotografías, vidrio, etc. Las imágenes de luminiscencia UV" y las "imágenes de reflectancia láser UV" se utilizan para observar y registrar la detección y recolección de huellas dactilares por irradiación láser UV de posibles huellas dactilares a través de filtros de paso de banda a 266 nm y 340 nm respectivamente. El setenta por ciento de las 120 muestras probados en el experimento fueron detectados con éxito.La técnica de onda corta UV aumenta la tasa de éxito de posibles huellas dactilares, y la facilidad y velocidad con la que se pueden controlar las propiedades ópticas hace que sea prometedora para su uso en la ciencia judicial. Las células exfoliadas, las manchas de sangre, el cabello con folículos pilosos y otras muestras biológicas comunes se pueden detectar con la detección UV. Sin embargo, cuando se utilizó el láser UV de onda corta de 266 nm para irradiar muestras biológicas a una distancia fija y en diferentes duraciones y luego extraer ADN, se encontró que el láser UV de onda corta de 266 nm tuvo un efecto grave en los resultados de ADN de cinco tipos comunes de evidencia biológica: huellas dactilares, b manchas de sangre, manchas de saliva, células desprendidas y cabello con folículos pilosos, pero solo en menor medida en la detección de DAN biológico para cabello que incluye folículos pilosos, saliva y manchas de sangre. Los láseres UV de onda corta pueden afectar algunos biomateriales de ADN, por lo que el método de extracción debe elegirse cuidadosamente por su valor probatorio durante las investigaciones forenses.
3.3. Aplicaciones de láser UV en placas de circuito integrado
La producción de una amplia gama de placas de circuitos en la industria, desde el cableado inicial hasta la producción de pequeños chips integrados de precisión que requieren procesos avanzados, circuitos flexibles dentro de placas de circuitos integrados, circuitos laminados en polímeros y cobre, todos requieren perforación y corte de microagujeros, así como la reparación e inspección de materiales en los tableros, que a menudo requieren el uso de microfabricación y procesamiento. La tecnología de micromaquinado láser es claramente la mejor opción para el procesamiento de placas de circuito. El láser no entra en contacto con el producto que se va a procesar durante el proceso, lo que evita efectivamente las fuerzas mecánicas, lo que da como resultado un procesamiento rápido, alta flexibilidad y sin requisitos especiales para el lugar de trabajo, que pueden alcanzar magnitudes submicrónicas a través de la configuración precisa del láser. parámetros y diseño de la investigación. Los métodos de perforación más tradicionales utilizados en las placas de circuito son 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 utilizan para marcar materiales no metálicos; las longitudes de onda de 1064 nm o 532 nm generalmente son utilizado para marcar materiales metálicos). En la actualidad, la tecnología de procesamiento láser UV todavía se usa principalmente, lo que puede lograr un procesamiento a nivel de micras, alta precisión, puede producir dispositivos micro cero ultrafinos, se puede aplicar a menos de 1 μm punto del rayo láser de microagujero Procesando. Sin embargo, los láseres de CO2 se utilizan principalmente para orificios de entre 75 y 150 mm y son propensos a desalinearse en orificios pequeños, mientras que los láseres UV se pueden utilizar para orificios de hasta 25 mm con gran precisión y sin desalineación. Por ejemplo, en el procesamiento "en frío" de placas de circuito revestidas de cobre con láseres de femtosegundos UV, se utiliza un método de equilibrio integral para obtener los parámetros de proceso óptimos, y luego se utilizan las propiedades de grabado selectivo para lograr alta calidad y alta eficiencia. grabado de microlíneas de superficies revestidas de cobre con un ancho de línea de 50 μm y un paso de línea de 20 μm.
3.4 Procesamiento y preparación de componentes microópticos
En la era de la tecnología de la información y el rápido desarrollo de la industria moderna, la necesidad de construir más sistemas experimentales en un espacio más pequeño y lograr más funciones requiere el desarrollo acelerado de la tecnología de la información y, lo que es más importante, la producción de sistemas más pequeños, miniaturizados y completamente dispositivos funcionales que solo procesan los enlaces químicos en la superficie del material. Tiene importantes aplicaciones y valor de investigación en los campos de la comunicación por radar militar, la terapia médica, la industria aeroespacial y la bioquímica. Es posible un corte y una optimización más profundos, así como la investigación y el desarrollo de aplicaciones en componentes microópticos a nanoescala, transformando las funciones y propiedades de los componentes ópticos tradicionales. Las microópticas tienen la ventaja de ser fáciles de producir en masa, fáciles de ordenar, pequeñas, livianas y flexibles, pero el material principal es el vidrio de cuarzo. El vidrio de cuarzo es propenso a agrietarse y formar cráteres durante su aplicación y manipulación y es un material duro y quebradizo, lo que reduce significativamente sus propiedades ópticas. Como resultado, la tecnología de procesamiento "en frío" de escritura directa del láser UV ha mejorado en gran medida la eficiencia de los dispositivos microópticos, permitiendo el procesamiento rápido de componentes microópticos con alta precisión y estructura fina sin dañar el material, y permitiendo un procesamiento flexible de lotes grandes y pequeños con diferentes requisitos. Si bien los institutos de investigación extranjeros han estudiado el procesamiento UV-UV de obleas de silicio con anterioridad, la investigación nacional sobre tecnología y facetas de corte de obleas de silicio se llevó a cabo solo después de un comienzo relativamente tardío. Corte optimizado de tres obleas de silicio del mismo material (0.18 mm, 0.38 mm y 0.6 mm) con una apertura mínima de 45 μm y una precisión de mecanizado de 20 μm, sin grietas en el material, menos influencia térmica del láser y menos salpicaduras.
3.4. Aplicaciones del láser UV en la industria de los semiconductores
El micromecanizado de materiales semiconductores con láser UV ha recibido una atención creciente en los últimos años. Miles de componentes de circuitos densos son muy comunes en los circuitos integrados, por lo que se requieren algunos métodos de manejo y procesamiento de alta precisión, así como algunos instrumentos y dispositivos de alta precisión, como materiales semiconductores de silicio y zafiro y otras películas delgadas semiconductoras de microprocesamiento de precisión por láser UV y estudiar las propiedades espectrales de la película, mientras que el láser UV también puede aumentar la utilización de la energía de la luz de los materiales de silicio, pero también hace que la microestructura de la superficie del silicio cambie, lo que conduce al desarrollo de paneles solares, como dos- microrrejilla dimensional, etc.
4. observaciones finales
A través de décadas de desarrollo e investigación, la tecnología y las aplicaciones de los láseres UV se han generalizado y madurado cada vez más, y su tecnología de procesamiento fino "en frío" más característica microprocesa y trata superficies sin cambiar las propiedades físicas del objeto, y es ampliamente utilizado en diversas industrias y campos como comunicaciones, óptica, militar, investigación criminal y tratamiento médico. La era 5G, por ejemplo, está generando demanda 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 de placas de circuito flexibles FPC está creciendo rápidamente y, con ella, la demanda de láseres UV. Se espera que esta tendencia conduzca a un rápido desarrollo de la propia tecnología UV para lograr mayores avances en potencia y ancho de pulso, así como en nuevas áreas de aplicación. La aplicación de máquinas láser UV ha hecho posible el procesamiento en frío de precisión de materiales como FPC, mientras que el aumento gradual de FPC ha impulsado el despliegue de 5G, cuyas características de baja latencia brindan oportunidades ilimitadas para nuevas oleadas de desarrollo tecnológico como la tecnología en la nube, la Internet de las cosas, sin conductor y VR. Este es, por supuesto, un concepto complementario, y las nuevas tecnologías y aplicaciones eventualmente impulsarán un mayor desarrollo de los láseres UV.
A medida que surgen más y más nuevos cristales de duplicación de frecuencia y medios de ganancia, cuanto más corta sea la longitud de onda, mayor será la potencia del láser UV que se utilizará en el futuro en más industrias para promover el desarrollo de todos los ámbitos de la vida, los láseres UV en el campo de procesamiento más inteligente, eficiente y precisa, alta tasa de repetición, alta estabilidad es la tendencia del desarrollo futuro.
