Ультрафиолетовый лазер

Ультрафиолетовый лазер — это тип лазера, генерирующий когерентное электромагнитное излучение в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра, то есть с длиной волны от 10 до 400 нанометров (нм). В зависимости от длины волны, УФ-лазеры подразделяются на ближний (400–300 нм), средний (300–200 нм) и вакуумный (200–10 нм) ультрафиолет. Основное отличие УФ-лазеров от лазеров видимого и инфракрасного диапазонов заключается в высокой энергии фотонов, что позволяет им эффективно разрушать химические связи в материалах (фотоабляция) и инициировать фотохимические реакции без значительного термического воздействия.

История

Ранние разработки

Первые лазеры, работающие в ультрафиолетовом диапазоне, были созданы вскоре после изобретения лазера в 1960 году. В 1961 году Питер Франкен и его коллеги из Мичиганского университета впервые продемонстрировали генерацию второй гармоники — преобразование излучения рубинового лазера (694 нм) в ультрафиолетовое излучение с длиной волны 347 нм. Это открытие заложило основы нелинейной оптики и методов преобразования частоты.

Эксимерные лазеры

Значительный прорыв произошёл в 1970-х годах с разработкой эксимерных лазеров. В 1975 году группа учёных под руководством Николая Басова и Владимира Попова в Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАН) впервые продемонстрировала работу лазера на эксимерах ксенона (Xe₂). Вскоре были созданы коммерческие эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов, такие как ArF (193 нм), KrF (248 нм) и XeCl (308 нм). Эти лазеры стали основой для литографии в микроэлектронике и лазерной хирургии.

Твердотельные и полупроводниковые УФ-лазеры

С 1990-х годов активно развивались твёрдотельные УФ-лазеры с диодной накачкой, использующие нелинейные кристаллы (например, β-BaB₂O₄, LiB₃O₅) для генерации третьей, четвёртой и пятой гармоник излучения Nd:YAG-лазеров (355 нм, 266 нм и 213 нм соответственно). В 2000-х годах были созданы первые полупроводниковые УФ-лазерные диоды на основе нитрида галлия (GaN) и его соединений, работающие в диапазоне 360–380 нм. В 2019 году японская компания Nichia Corporation анонсировала первый коммерческий лазерный диод с длиной волны 365 нм.

Классификация

Ультрафиолетовые лазеры классифицируются по типу активной среды, способу накачки и длине волны.

По типу активной среды

• Газовые лазеры:
• Эксимерные лазеры (ArF, KrF, XeCl, XeF) — наиболее мощные и распространённые источники УФ-излучения с длинами волн от 157 до 351 нм.
• Гелий-кадмиевые лазеры (He-Cd) — непрерывное излучение на длинах волн 325 нм и 441,6 нм.
• Азотные лазеры (N₂) — импульсное излучение на 337,1 нм.
• Твёрдотельные лазеры:
• Лазеры с нелинейным преобразованием частоты (Nd:YAG, Nd:YVO₄, Ti:сапфир) — генерация гармоник (355 нм, 266 нм, 213 нм).
• Лазеры на фторидах (Ce:LiCAF, Ce:LiSAF) — перестраиваемое излучение в диапазоне 280–320 нм.
• Полупроводниковые лазеры:
• Лазерные диоды на GaN — работа в ближнем УФ (360–380 нм).
• Квантово-каскадные лазеры — перспективные источники среднего и дальнего УФ (до 200 нм).
• Лазеры на свободных электронах — перестраиваемое излучение в широком диапазоне, включая вакуумный УФ.

По режиму работы

• Непрерывные — излучение постоянной мощности (например, He-Cd-лазеры).
• Импульсные — излучение короткими импульсами (от наносекунд до фемтосекунд). Эксимерные и твёрдотельные лазеры обычно работают в импульсном режиме с частотой повторения от единиц герц до десятков килогерц.

Устройство и принцип действия

Основные компоненты любого УФ-лазера включают активную среду, систему накачки (электрический разряд, оптическая накачка или инжекция носителей) и оптический резонатор. Особенностью УФ-лазеров является необходимость использования специальных оптических материалов, прозрачных в ультрафиолетовом диапазоне. Для окон и линз применяют кварцевое стекло (SiO₂), фторид кальция (CaF₂), фторид магния (MgF₂) или сапфир (Al₂O₃). Внутренние зеркала резонатора часто покрывают диэлектрическими многослойными покрытиями с высоким коэффициентом отражения в УФ-диапазоне.

В эксимерных лазерах активной средой является смесь инертного газа (например, аргона, криптона, ксенона) и галогена (фтора, хлора), возбуждаемая высоковольтным электрическим разрядом. При разряде образуются короткоживущие молекулы-эксимеры (например, ArF*), которые при распаде излучают фотоны с длиной волны, характерной для данного эксимера.

В твёрдотельных УФ-лазерах с нелинейным преобразованием частоты излучение инфракрасного лазера (например, Nd:YAG на 1064 нм) проходит через нелинейный кристалл, где происходит удвоение, утроение или учетверение частоты. Для генерации 266 нм используется последовательное удвоение частоты: сначала 1064 нм → 532 нм, затем 532 нм → 266 нм.

Применение

Микроэлектроника и литография

Наиболее массовое применение УФ-лазеров — фотолитография в производстве интегральных микросхем. Эксимерные лазеры KrF (248 нм) и ArF (193 нм) используются в степперах и сканерах для формирования рисунка на фоторезисте. С 2020-х годов для литографии в глубоком ультрафиолете (DUV) применяются лазеры на длине волны 193 нм с иммерсионной технологией. Для литографии в экстремальном ультрафиолете (EUV, 13,5 нм) используются лазерно-плазменные источники, которые также являются разновидностью УФ-лазеров.

Медицина и хирургия

УФ-лазеры широко применяются в офтальмологии, особенно эксимерные лазеры ArF (193 нм) для коррекции зрения методом LASIK и фоторефракционной кератэктомии (ФРК). Благодаря высокой энергии фотонов, УФ-излучение позволяет удалять поверхностные слои роговицы с точностью до долей микрона без термического повреждения окружающих тканей. В дерматологии УФ-лазеры используются для лечения псориаза, витилиго и других кожных заболеваний (например, эксимерный лазер XeCl, 308 нм). В стоматологии — для отверждения светоотверждаемых композитных материалов.

Обработка материалов

УФ-лазеры применяются для микрообработки материалов: сверления, резки, маркировки и гравировки. Высокая энергия фотонов позволяет обрабатывать прозрачные материалы (стекло, кварц, сапфир), полимеры, керамику и металлы с минимальной зоной термического влияния. В микроэлектронике УФ-лазеры используются для скрайбирования пластин, формирования сквозных отверстий (TSV) и ремонта дефектных схем.

Научные исследования

УФ-лазеры незаменимы в спектроскопии, фотохимии и физике плазмы. Они используются для лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ), масс-спектрометрии с лазерной десорбцией/ионизацией (MALDI), а также для изучения динамики химических реакций. В астрофизике УФ-лазеры применяются для создания искусственных опорных звёзд в адаптивной оптике телескопов.

Экология и аналитика

УФ-лазеры используются в системах дистанционного зондирования атмосферы (лидарах) для обнаружения загрязняющих веществ, аэрозолей и озона. В биологии и медицине — для проточной цитометрии, сортировки клеток и секвенирования ДНК.

Интересные факты

• Самый мощный непрерывный УФ-лазер в мире — лазер на свободных электронах в исследовательском центре DESY (Германия), способный генерировать излучение мощностью до нескольких киловатт в вакуумном УФ-диапазоне.
• Эксимерные лазеры ArF (193 нм) используются в литографии для производства процессоров с техпроцессом до 7 нм и ниже.
• В 2014 году российские учёные из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) разработали мощный УФ-лазер на парах стронция с длиной волны 430 нм, который также может работать в ближнем УФ-диапазоне.
• Полупроводниковые УФ-лазерные диоды на основе GaN обладают КПД до 10–15%, что значительно ниже, чем у инфракрасных лазерных диодов (до 70%), но они компактны и не требуют сложных систем охлаждения.

Источники

• Базов Н. Г., Попов Ю. М. «Эксимерные лазеры». — М.: Наука, 1985.
• Звелто О. «Принципы лазеров». — 5-е изд. — СПб.: Лань, 2008.
• Справочник по лазерной технике / Под ред. А. П. Напартовича. — М.: Энергоатомиздат, 1991.
• Duley W. W. «UV Lasers: Effects and Applications in Materials Science». — Cambridge University Press, 1996.
• Endert H., Basting D. «Excimer Laser Technology». — Springer, 2005.
• Официальные спецификации Nichia Corporation (2019).