1つの記事でUVレーザーとは - アプリケーション

序章

技術の急速な発展に伴い、電子工学、医学療法、生物学、および材料用の、より軽く、より効率的で、より小型で、多機能で高品質のレーザー機器が必要とされています。現在一般的なレーザーは、赤外線と可視波長で利用できます。従来のレーザーツール、プロセス、および技術は、効率が低く、操作が複雑で、コストが高く、範囲が制限され、損失が大きく、精度が低いという問題がありました。 UV レーザーは、その比較的高いコヒーレンス、利便性、安定性と信頼性、低コスト、調整可能性、小型サイズ、高効率、精度、および実用性について、ここ数十年間、科学者によって繰り返し研究されてきました。

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2. UVレーザー

UVレーザーは、主にガスUVレーザーと固体UV固体レーザーに分けられます。作動媒体はポンプ源の作用により外部エネルギーを吸収して励起状態に達し、粒子数反転利得が損失を上回った後、光が増幅され、増幅された光の一部がフィードバックされて励起が継続されます。レーザーを生成するために共振空洞で発振を生成します。ガス媒体は主にパルス放電または電子ビーム放電で使用されます。この放電では、電子間の衝突によってガス粒子が低エネルギーレベルから高エネルギーレベルに励起され、励起ジャンプが生成されて UV レーザーが得られます。固体媒体は、1 つまたは複数の周波数遷移の後に外側に放射する UV レーザー光を生成する非線形周波数倍加結晶です。エキシマおよび全固体 UV レーザーは、レーザー加工および取り扱いに一般的に使用されます。

2.1. エキシマレーザー

主なガスUVレーザーは、エキシマレーザー、アルゴンイオンレーザー、窒素分子レーザー、フッ素分子レーザー、ヘリウムカドミウムレーザーなどです。レーザー加工にはエキシマレーザーなどが一般的です。エキシマレーザーは、作動物質としてエキシマを使用したガスレーザーです。これらはパルスレーザーでもあり、1971 年に最初のエキシマレーザーが作成されて以来、大きな研究対象となっています。エキシマは、特定の状況下で原子に分解される不安定な化合物分子です。エキシマレーザーの判断基準は、繰り返し回数と平均パワーです。 F、Cl、Br などのハロゲン元素と混合した Ar、Kr、Xe などの希ガスの特定の割合は、電子ビームまたはパルス放電によって励起される UV ガスレーザーの主な作動物質です。基底状態の希ガスや希ガスの原子が励起されると、核外の電子がより高い軌道に励起され、最外層の電子層が満たされ、他の原子と結合して準分子を形成し、再び元の状態に戻ります。基底状態になり、元の原子に分解されます。液体キセノンは、初期のエキシマレーザーの作動物質でした。現在のエキシマレーザーには、193 nm の ArF レーザー、248 nm の KrF レーザー、308 nm の XeCl レーザーもあります。

2.2. 固体UVレーザー

全固体UVレーザーの際立った利点は、便利な小型サイズ、高い信頼性、動作安定性です。最も一般的に使用されるのは、LD ポンピング用の通常の Nd:YAG 結晶で、周波数が 2 倍になります。

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UV 固体レーザーの生成における主なステップは、まずレーザーの光源を増倍媒質上にポンピングして、粒子数の反転を達成し、共鳴空洞内で基本的な赤色光を形成および発振することです。 1つまたは複数の非線形結晶によるキャビティ内の周波数の倍増、および最終的に透過および反射後の共振キャビティからの目的のUVレーザーの出力。 UV 固体レーザーは通常、LD ダイオードポンピングおよびランプポンピング法を使用して得られます。全固体 UV レーザーは、LD 励起 UV 固体レーザーです。

Nd:YAG (ネオジムをドープしたイットリウムアルミニウムガーネット) と Nd:YVO4 (ネオジムをドープしたバナジン酸イットリウム) は、強化されたメディア結晶のより一般的なタイプの 2 つです。共振空洞を強化する一般的な方法は、波長 808 nm の Nd:YVO4 レーザー結晶で励起された小型の半導体レーザーダイオード LD を使用して、1064 nm の近赤外光を生成することです。 Nd:YAG と比較すると、Nd:YVO4 レーザー結晶は、Nd:YAG の 4 倍の大きなゲイン断面積、Nd:YAG の 5 倍の大きな吸収係数、および低いレーザーしきい値を備えています。 Nd:YAG と比較すると、Nd:YVO4 レーザー結晶は、Nd:YAG の 4 倍の大きなゲイン断面積、Nd:YAG の 5 倍の大きな吸収係数、および低いレーザーしきい値を備えています。 Nd:YAG 結晶は、機械的強度が高く、光透過率が高く、蛍光寿命が長く、過酷な熱放散および冷却システムを必要としません。

3. UVレーザーの応用

UV レーザー加工には多くの利点があり、現在、技術情報の開発において選択されている技術です。まず、UVレーザーは超短波長のレーザー光を出力できるため、超小型で微細な材料を正確に処理できます。第二に、UV レーザーの「低温処理」は、材料自体を全体として破壊するのではなく、その表面のみを処理します。また、熱ダメージの影響は基本的にありません。一部の材料は、可視および赤外線レーザーを効果的に吸収しないため、加工できません。 UV の最大の利点は、基本的にすべての材料が UV 光をより広く吸収することです。 UV レーザー、特に固体 UV レーザーは、コンパクトで小さく、保守が簡単で、大量生産が容易です。 UV レーザーは、医療生体材料の処理、刑事事件の法医学、集積回路基板、半導体産業、マイクロ光学部品、手術、通信とレーダー、レーザー加工と切断など、幅広い用途で使用されています。

3.1. 生物材料の表面特性の改変

一部の治療では、眼内疾患の紫外線レーザー治療やウサギの角膜での実験など、多くの医療材料が人間の組織と適合する必要があり、場合によっては生物学的タンパク質の特性と生体分子構造の変化が必要になります。エキシマ UV レーザーの最適なパルスパラメーターを調整した後、実験者は医療生体材料の表面にそれぞれ 100 nm、120 nm、200 nm レーザーを照射し、材料表面の物理化学的構造を改善し、全体的な化学構造を変更しませんでした。生体培養細胞との比較実験を通じて、処理された有機生体材料をヒト組織との適合性と親水性を大幅に向上させます。これは、医療生物学的応用に大いに役立ちます。

3.2. 犯罪捜査の分野で

犯罪捜査の分野では、指紋が DNA と同じくらい唯一無二であることが発見されて以来、刑事事件の被疑者が犯罪現場に残す重要な生物学的証拠として指紋が使用されてきました。古い方法は、サンプルの損傷につながり、展示品の収集と保管を困難にする可能性があります。現在の研究では、テープ、写真、ガラスなどの非貫通物体表面の指紋について優れた結果が得られています。「UV 発光イメージング」および「UV レーザー反射イメージング」を使用して、それぞれ 266 nm および 340 nm のバンドパスフィルターを介した潜在的な指紋の UV レーザー照射による指紋の検出および収集を観察および記録します。120 サンプルの 70%実験でテストされた唾液スポットは正常に検出されました. UV 短波技術は、潜在的な指紋の成功率を高め、光学特性を制御できる容易さと速度により、法廷科学での使用が有望になります.剥脱した細胞、血痕、毛包のある毛髪、その他の一般的な生体試料は、UV 検出で検出できます.ただし、短波長 266 nm UV レーザーを使用して生体試料を一定の距離と異なる時間で照射し、抽出した場合DNA、短波 266 nm UV レーザーは、5 つの一般的な生物学的証拠の DNA 結果に深刻な影響を与えることがわかりました: 指紋、b 泥汚れ、唾液のしみ、脱落細胞、および毛包を伴う毛髪ですが、毛包、唾液、および血のしみを含む毛髪の生物学的 DAN の検出に関しては、それほどではありません。短波 UV レーザーは一部の DNA 生体材料に影響を与える可能性があるため、法医学調査中の証拠価値のために抽出方法を慎重に選択する必要があります。

3.3. 集積回路基板への UV レーザーアプリケーション

初期の配線から、高度なプロセスを必要とする小型の精密組み込みチップ、集積回路基板内のフレキシブル回路、ポリマーと銅の積層回路の製造まで、業界での幅広い回路基板の製造には、すべて微細な穴あけと切断が必要です。ボード上の材料の修理と検査だけでなく、多くの場合、微細加工と加工の使用が必要です。レーザー微細加工技術は、明らかに回路基板の加工に最適です。レーザーはプロセス中に加工される製品と接触せず、機械的な力を効果的に回避するため、レーザーの正確な設定によりサブミクロンの大きさに達することができる、迅速な加工、高い柔軟性、および作業場に対する特別な要件がなくなります。パラメータと研究デザイン。回路基板で使用されるより伝統的な穴あけ方法は、非金属マーキングに UV レーザーと CO2 レーザーを使用することです (波長 10.6 μm の CO2 レーザーは、非金属材料のマーキングに使用されます。波長 1064 nm または 532 nm は一般的に金属材料のマーキングに使用されます)。現在、UVレーザー加工技術は依然として主に使用されており、ミクロンレベルの加工、高精度を達成でき、超微細マイクロゼロデバイスを製造でき、マイクロホールのレーザービームの1μm未満のスポットに適用できます処理。ただし、CO2 レーザーは主に 75 ～ 150 mm の穴に使用され、小さい穴では位置ずれが発生しやすいのに対し、UV レーザーは 25 mm までの穴に高精度で位置ずれなしで使用できます。たとえば、UV フェムト秒レーザーを使用した銅張回路基板の「コールド」処理では、総合的なバランス調整方法を使用して最適なプロセスパラメータを取得し、次に選択的エッチング特性を使用して高品質、高効率を達成します。線幅50μm、線ピッチ20μmの銅張り表面のマイクロラインエッチング。

3.4 マイクロ光学部品の加工と準備

情報技術の時代と現代産業の急速な発展において、より小さなスペースでより多くの実験システムを構築し、より多くの機能を実現する必要性から、情報技術の開発を加速する必要があります。材料表面の化学結合のみを処理する機能デバイス。軍事レーダー通信、医療、航空宇宙、生化学の分野で重要な用途と研究価値があります。従来の光学部品の機能と特性を一変させ、ナノスケールでのマイクロ光学部品のより詳細な切削と最適化、アプリケーションの研究開発が可能です。マイクロオプティクスは、大量生産が容易で、アレイ化が容易で、小さく、軽く、柔軟であるという利点がありますが、主な材料は石英ガラスです。石英ガラスは、塗布や取り扱い中にひび割れやへこみが発生しやすく、硬くて脆い材料であるため、光学特性が大幅に低下します。その結果、UV レーザーの直接書き込み「コールド」処理技術は、マイクロ光学デバイスの効率を大幅に改善し、材料を損傷することなく、高精度で微細な構造を備えたマイクロ光学コンポーネントの迅速な処理を可能にし、柔軟な処理を可能にしました。要件が異なる大小のバッチ。海外の研究機関ではシリコンウェーハのUV-UV加工が先行して研究されていましたが、シリコンウェーハの切断技術やファセットに関する国内の研究は比較的遅れて開始されました。同じ材料 (0.18 mm、0.38 mm、および 0.6 mm) の 3 つのシリコンウェーハの最適な切断を、最小開口 45 μm および加工精度20 μm、材料に亀裂がなく、レーザーの熱影響が少なく、スパッタが少ないことを示しています。

3.4。半導体産業における UV レーザーの用途

近年、UV レーザーを使用した半導体材料の微細加工が注目を集めています。集積回路では何千もの高密度回路コンポーネントが非常に一般的であるため、高精度の取り扱いと処理方法が必要になるだけでなく、シリコンやサファイアの半導体材料やその他の半導体薄膜などの精密微細加工による高精度の機器やデバイスも必要です。 UV レーザーとフィルムのスペクトル特性を研究します。UV レーザーはシリコン材料の光エネルギーの利用率を高めることもできますが、シリコン表面の微細構造を変化させることもできます。これは、2 つのようなソーラーパネルの開発に役立ちます。次元のマイクロ格子、等。

4. おわりに

数十年にわたる開発と研究を通じて、UV レーザーの技術とアプリケーションはますます普及し成熟しており、その最も特徴的な微細な「コールド」加工技術は、物体の物理的特性を変えることなく表面を微細加工および処理します。通信、光学、軍事、犯罪捜査、医療など、さまざまな産業や分野で広く使用されています。例えば5G時代では、FPC加工の需要が生まれています。 5G 産業のさらなる発展と主要な電子機器メーカーによるフレキシブル OLED ディスプレイの追求により、FPC フレキシブル回路基板の需要が急速に伸びており、それに伴い UV レーザーの需要も高まっています。この傾向は、UV 技術自体の急速な発展につながり、出力とパルス幅の大幅なブレークスルーや、新しい応用分野につながることが期待されています。 UV レーザーマシンの適用により、FPC などの材料の精密な冷間加工が可能になりました。また、FPC の漸進的な増加により、5G の展開が促進されました。5G の低遅延特性は、クラウド技術などの新しい技術開発の波に無限の機会を提供します。モノのインターネット、無人運転、VR。もちろん、これは補完的な概念であり、新しい技術とアプリケーションは最終的に UV レーザーのさらなる開発を推進します。

ますます多くの新しい周波数倍増結晶と利得媒体が出現するにつれて、波長が短ければ短いほど、より高い出力の UV レーザーが将来、より多くの産業で使用され、加工分野でのあらゆる分野の開発、UV レーザーが促進されます。よりインテリジェントで効率的かつ正確、高い繰り返し率、高い安定性が将来の発展の傾向です。