Эксимерные лазеры

метки: Лазер, Излучение, Разряд, Накачка, Пучок, Импульс, Возбуждение, Рисунок

Эксимерные лазеры — один из самых интересных видов лазеров. Первые публикации на эту тему относятся к 1970 г. Излучение источников, относящихся к этому виду, в спектральном диапазоне занимает промежуток от 126 нм до 558 нм. Благодаря такой малой длине волны излучение эксимерных лазеров может быть сфокусировано в пятно очень маленького размера. Мощность этих источников достигает единиц кВт. Эксимерные лазеры относятся к импульсным источникам. Частота повторения импульсов может доходить до 500 Гц. Этот вид лазеров имеет очень высокий квантовый выход и, как следствие, достаточно высокий КПД (до 2 — 4%).

Благодаря таким необычным характеристикам, излучение эксимерных лазеров находит применение во многих областях и приложениях. Они используются в клиниках при проведении операций (на радужной оболочке глаза и других), где необходимо выжигание тканей. На основе этих лазеров созданы микрофотолитографические установки для тонкого травления материалов при создании электронных печатных плат. Широкое применение нашли эксимерные лазеры в экспериментальных научных исследованиях.

Однако, существуют некоторые трудности в создании установок на их основе. Например, при столь высокой мощности излучения необходимо препятствовать образованию дуги в активной газовой смеси. Для этого необходимо усложнить механизм накачки с целью сокращения длительности ее импульса. Коротковолновое излучение эксимерных лазеров требует использования специальных материалов и покрытий в конструкциях резонаторов, а также в оптических системах для преобразования их излучения. Поэтому одним из недостатков источников этого вида является высокая, по сравнению с другими видами лазеров, стоимость.

Активная среда

Активной средой эксимерного лазера являются молекулы газа. Лазеры этого класса работают на переходах между двумя термами молекулы, нижний из которых является отталкивательным и составлен обычно из атомов в основном состоянии. Верхний терм лазерного перехода имеет потенциальный минимум. Такие молекулы, существующие только в возбужденном состоянии, носят название эксимерных (excimer, excited dimer — возбужденный димер), отсюда и название лазеров данного класса.

Процесс получения генерации в эксимерном лазере удобно рассмотреть с помощью рисунка 1, на котором представлены кривые потенциальной энергии для основного и возбужденного состояний двухатомной молекулы. Впервые описанный механизм создания инверсной населенности был реализован Н. Г. Басовым и сотрудниками в жидком ксеноне, на переходах между возбужденным, метастабильным и основным, отталкивательным термом молекулы Хе ₂ .

Лазеры и их применение (2)

... когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной ... l = 1,25 см), в 1960 - лазер на рубине и газовый лазер, и спустя два года - полупроводниковый лазер. 2. История открытия Одним из самых замечательных ...

Рисунок 1. Энергетические уровни эксимерного лазера.

Поскольку кривая потенциальной энергии возбужденного состояния имеет минимум, молекула Х* может существовать. Данная молекула является эксимером. В процессе релаксации возбужденной среды устанавливается определенная траектория потока энергии, которая содержит скачок, преодолеваемый только испусканием излучения. Если в некотором объеме накопить довольно большое количество таких молекул, то на переходе между верхним (связанным) и нижним (свободным) уровнями можно получить генерацию (вынужденное излучение) — связанно-свободный переход.

Этот переход характеризуется следующими важными свойствами:

• При переходе молекулы в основное состояние в результате генерации она немедленно диссоциирует;
• Не существует четко выраженных вращательно-колебательных переходов, и переход является относительно широкополосным;
• Если инверсия населенностей не достигается, то наблюдается флюоресценция.

В настоящее время получена лазерная генерация на ряде эксимерных комплексов — квазимолекулах благородных газов, их окислах и галогенидах, а также парах металлических соединений. Длины волн генерации этих активных сред приведены в таблице 1.

Для получения квазимолекул благородных газов используются чистые газы, находящиеся под давлением в десятки атмосфер; для получения окислов благородных газов — смесь исходных газов с молекулярным кислородом или соединениями, содержащими кислород, в соотношении 10000: 1 под таким же давлением; для получения галогенидов благородных газов — их смеси с галогенами в соотношении 10000: 1 (для аргона и ксенона) или 10: 1 (для ксенона или криптона) при общем давлении 0,1 — 1 МПа.

Таблица 1

Эксимерные комплексы	Квазимолекулы благородных газов	Окислы благородных газов	Пары металлич. соединений
Активная квазимолекула	Xe 2 *	Kr 2 *	Ar 2 *	ArO*	KrO*	XeO*	CdHg*
л ген , нм	172	145,7	126	558	558	540	470
?л, нм	20	13,8	8			25
Р имп , МВт (Р ср , Вт)	75		50
ф, нс	10	10	4-15
Активная квазимолекула	XeBr*	XeF*	ArF*	ArCl*	XeCl*	KrCl*	KrF*
л ген , нм	282	351	193	175	308	220	248
?л, нм	1	1,5	1,5	2	2,5	5	4
Р имп , МВт (Р ср , Вт)	(100)	3	1000	(0,02)	(7)	5 (0,05)	1000
ф, нс	20	20	55	10	5	30	55

Накачка

Для накачки лазеров на основе эксимеров имеется несколько методов, общим требованием к которым является обеспечение большого удельного энерговклада в активную рабочую среду. К числу этих методов относятся: возбуждение пучков высокоэнергетических электронов (электронное возбуждение), возбуждение электрическим разрядом, поддерживаемым электронным пучком (электроразрядные лазеры с электронной предионизацией), возбуждение быстрым поперечным разрядом, оптическое возбуждение (излучение взрывающихся проволочек).

Как уже упоминалось, пороговые значения инверсии для эксимерных лазеров весьма велики, что связано, с одной стороны, с малой длиной волны, а с другой стороны, с большой шириной линии соответствующих переходов. В самом деле, выражение для коэффициента усиления в случае, когда в нижнем состоянии перехода молекулы отсутствуют, имеет вид

Где N _B — плотность молекул в верхнем состоянии, Дн — ширина линии усиления, а₂₁ — вероятность спонтанного излучения для перехода, л — длина волны.

Для эксимерных лазеров a ₂₁ ~ 10⁷ — 10⁸ сек^-11 , л = (2—3)*10^-5 см, поэтому, задавшись пороговым значением усиления k~ 10^-2 см ^-1 , получим оценку порогового значения плотности возбужденных молекул N_{B =} 10¹⁴ — 10¹⁵ см^-3 .

Для создания подобной плотности возбужденных молекул необходимо обеспечить весьма высокое значение плотности энергии накачки 10 ^-2 Дж/см³ за время порядка 10^-8 сек. Столь высокая плотность энергии накачки может быть достигнута при пропускании через газ достаточно высокой плотности интенсивного пучка быстрых электронов или мощного импульсного разряда. При использовании двух указанных способов введения энергии в активную среду реализуются существенно различные механизмы создания инверсной заселенности, основанные на различных последовательностях элементарных процессов. Рассмотрим подробнее эти механизмы.

Накачка электронным пучком

При электронном возбуждении пучок высокоэнергетических электронов обладает энергией от 300 кэВ до 1 МэВ и выше. Формирование электронного пучка производится отдельной электронной пушкой, а сам пучок вводится в активный объем лазера, заполненный газовой смесью, через тонкий слой фольги, разделяющий вакуумный объем электронной пушки и рабочий объем лазера, давление в котором обычно превышает атмосферное. Длительность импульсов возбуждения обычно составляет несколько десятков наносекунд, а плотность тока электронного пучка от нескольких десятков до нескольких сотен ампер на квадратный сантиметр. При данном методе возбуждения удалось обеспечить генерацию на большинстве из перечисленных выше активных сред: KrF ^* , ArF^* , XeCl^* , XeF^* .

Рисунок 6.Накачка электронным пучком.

Наилучшие результаты достигнуты на фторидах криптона и аргона (KrF и ArF), удельный энергосъем при использовании которых достигает 3 — 30 Дж/л, а рабочий объем возбуждения несколько десятков литров. Энергия импульса излучения при объеме рабочей среды 36 л равна 100 Дж при КПД 1,5% (КПД это отношение энергии излучения к поглощенной энергии электронного пучка).

Для оценки полного КПД необходимо учесть КПД преобразования энергии первичного источника питания в энергию электронного возбуждающего пучка, в оптимальных условиях достигающих 50%.

Создана лазерная установка с рабочим объемом 40 см ³ (камера длиной 20 см и диаметром 2 см), на которой получены импульсы излучения с энергией 7 мДж. Возбуждение осуществляется электронным пучком 250 — 300 кэВ и током до 5 кА. В качестве рабочей лазерной среды используется смесь газов Ar, Xe, SF₆ в соотношении 75: 1: 0,1 при давлении 0,71 МПа.

Способ возбуждения электронным пучком имеет ряд достоинств, к которым следует отнести: возможность возбуждения высоколежащих уровней атомов (т.е. получения излучения в УФ и видимом диапазонах длин волн); возможность возбуждения газов при высоком давлении и больших объемах, что обеспечивает поучение больших энергий излучения; возможность работы при частотах следования импульсов до 100 и более Гц и, следовательно, получение больших средних мощностей излучения. Но этому способу возбуждения присущи и некоторые недостатки, к числу которых относятся трудности введения энергии электронного пучка в газ с достаточно равномерным ее распределением по объему, сложность электронных ускорителей, существенно повышающих стоимость лазера.

Что касается перспектив дальнейшего совершенствования эксимерных лазеров с электронным возбуждением, то можно отметить следующее. Для рассматриваемого типа лазеров наиболее перспективной с точки зрения эффективности представляется квазимолекула KrF ^* . Теоретический КПД лазера на основе этой активной среды (по отношению к энергии, вложенной в активную среду) составляет 22%, а при возбуждении электрическим разрядом и пучком 35%. Во всех экспериментальных установках, на которых была получена генерация, параметры были неоптимальными, в связи с чем полный КПД таких лазеров не превышал 1 — 2%. Поэтом вопрос с реально достижимых КПД остается открытым и требует дальнейших исследований; энергосъем этих лазеров предполагается увеличить до 40 — 50 Дж/л.

Накачка электрическим разрядом

эксимерный лазер фотолитография электронный

При использовании электроразрядного способа накачки эксимерных лазеров необходимо обеспечить предионизацию активной среды. 6

Предионизация используется для предотвращения дугового разряда и обычно достигается излучающими в УФ диапазоне искровыми разрядами, пробегающими параллельно оси трубки. Поскольку глубина проникновения УФ излучения в газовую смесь ограничена, для больших установок иногда применяют предионизацию рентгеновским излучением.

Рисунок 7. Накачка электрическим разрядом.

К другим методам предионизации относятся использование импульсных источников электронного пучка (предионизация электронным пучком) и ионизация благодаря коронному эффекту (коронная предионизация).

Как только произошла ионизация во всем объеме лазерного разряда, закорачивается быстродействующий вентиль и через электроды разряда проскакивает главный разрядный импульс. Поскольку время жизни верхнего уровня сравнительно невелико, а также чтобы избежать образования дуги, необходимо обеспечить быструю накачку (длительность импульса накачки 10 — 20 нс).

В случае, представленном на рисунке 1, это достигается тем, что уменьшают по возможности индуктивность контура и используют безындукционные конденсаторы.

Эффект предионизации тлеющим разрядом помогает получить равномерные и согласованные профили разрядов с минимумом ответвлений от основного разряда. Параметры, влияющие на предионизацию, такие как порог предионизации, начальная плотность электронов и согласованность предионизации, сильно зависят от составляющих резонатора: профиль электрода, тип электрода, давление в газовой среде, длительность предионизации, потери электронов при предионизации, временная задержка между предионизацией и основным разрядом, время нарастания основного импульса; а так же от основных геометрических параметров резонатора.

Два наиболее распространенных метода предионизации:

• для эксимерных лазеров малых и средних размеров — предионизация электродами, расположенными вблизи от главных электродов;
• для больших систем — предионизация рентгеновскими источниками.

Рисунок 8. Сектор кюветы, отвечающий за предионизацию газа.

Предионизационные электроды, показанные на рисунке 8, генерируют искровой разряд приблизительно за 10 нс до основного разряда. Искры инициируют УФ излучение, достаточное для предионизации рабочего газа с начальной плотностью около 10 ⁸ электронов/см³ между электродами.

Накачка электрическим разрядом с предионизацией электронным пучком

Перспективным способом накачки эксимерных лазеров является также комбинированный способ — электрическим разрядом и электронным пучком, используемым для предионизации.

При накачке активной среды электрическим разрядом с предионизацией последнего электронным пучком требуется два источника накачки — электронный ускоритель и источник импульсного высоковольтного напряжения. Но большая доля энергии накачки в этом случае приходится на электрический разряд, что позволяет использовать для предионизации относительно маломощные электронные ускорители.

Комбинированный способ накачки позволяет сохранить преимущества возбуждения электронным пучком и создать потенциальные возможности для повышения эффективности лазера за счет более полного использования энергии электрического разряда. Предполагается, что оптимизация параметров блока электрической накачки и увеличение длительности импульсов пучка электров позволит существенно увеличить энергию излучения и КПД лазера. Возможность существенного увеличения активного объема лазера с таким методом накачки до нескольких кубических метров позволяет надеяться на получение средней мощности излучения выше 1 кВт при работе в частотном режиме.

Что касается работы в режиме редко повторяющихся вспышек, то в настоящее время получен удельный энергосъем, достигающий 5 Дж/л. Ожидается, что при оптимизации параметров лазера это значение будет увеличено в несколько раз.

Рисунок 9. Лазер с разрядом, стабилизированным электронным пучком

Учитывая опыт разработки СО ₂ — лазеров, можно полагать, что активный объем рабочей лазерной камеры будет увеличен до 100 л.

Поэтому вполне реальным представляется создание эксимерных лазеров с энергией излучения в импульсе порядка 1 кДж и более.

Накачка двойным электрическим разрядом

Возбуждение двойным электрическим разрядом также является довольно перспективным методом для эксимерных лазеров. В этом случае первый импульс выполняет роль предионизатора активной лазерной среды, а второй — рабочего. Интервал между этими импульсами выбирается меньше постоянной времени релаксации предварительно ионизированных частиц, что существенно облегчает условия для возникновения основного электрического разряда и позволяет повысить КПД системы.

Наилучшие результаты в настоящее время получены на квазимолекулах хлорида ксенона. При длине резонатора 100 см и импульсном рабочем напряжении 40 — 50 кВ получена средняя мощность излучения 1 Вт при частоте следования импульсов 100 Гц. Полный КПД лазера составляет 0,1% при работе в частотном режиме и 0,5% при работе в режиме одиночных импульсов. Импульсная мощность излучен6ия в рассматриваемом случае составляет несколько сотен киловатт при длительности импульса 1 — 20 нс. Состав рабочей смеси меняется от импульса к импульсу, что приводит к необходимости его смены в промежутках между последующими импульсами.

Применение

Фотолитография. Фотолитография — метод нанесения рисунка на тонкую пленку материала. Минимальный размер детали рисунка определяется дифракционным пределом.

В процессе фотолитографии на толстую подложку (часто кремниевую) наносится тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится фоторезист (материал, изменяющий свои фотохимические свойства при облучении светом).

Далее производится экспонирование через фотошаблон (пластину, прозрачную для видимого света, с рисунком, выполненным непрозрачным красителем).

Облученные участки фоторезиста изменяют свою растворимость, и их можно удалить с помощью травления. Освобожденные от фоторезиста участки тоже удаляются. В завершении производится удаление остатков фоторезиста.

В случае получения недостаточно малых размеров создаваемых лазером пятен возможно применение технологии иммерсионной фотолитографии. Основным отличием технологии является тот факт, что между проекционной системой и кремниевой пластиной помещается слой жидкости с коэффициентом преломления большим, нежели у газовой смеси. Зачастую для этих целей используется обыкновенная очищенная вода.

Рисунок 15. Микроструктура, полученная фотолитографическим методом

Медицина. Лазерная коррекция зрения на сегодняшний день является самым прогрессивным направлением современной офтальмологии. С помощью новейших методик возможно эффективное лечение близорукости, дальнозоркости и астигматизма, при этом результаты лечения остаются неизменными в течение всей жизни.

Сегодня широко применяются два метода лазерной коррекции зрения: ФРК — фоторефрактивная кератэктоми и лазерный кератом илез.

Метод ФРК является первой попыткой использовать эксимерный лазер для медицинских целей. Суть данного метода восстановления зрения заключается в устранении неровностей роговицы путем выпаривания ее тканей. Этот метод является бесконтактным. Однако у метода ФРК есть некоторые недостатки: микроэрозия, возникающая в ходе операции, заживает в течение двух дней. При этом пациент испытывает болевые ощущения.

Лазерный кератомилез — это сочетание микрохирургического воздействия и эксимер-лазерной технологии. Он позволяет сохранить анатомию слоев роговицы, что значительно снижает неприятные ощущения у пациента во время реабилитации после операции. В ходе лазерной коррекции зрения методом LASIK используется автоматический микрохирургический прибор (микрокератом), который срезает верхний слой роговицы, открывая лазерному лучу доступ к более глубоким слоям глазной линзы. Проводится выравнивание роговицы — микро-испарение ткани с внутренних слоёв роговицы на заданное количество микрон для придания нужной кривизны в центральной зоне без повышения температуры ткани, после чего отделенный слой возвращается на место и фиксируется за счет коллагена, вещества роговицы.

Рассмотрим конкретные модели использования эксимерных лазеров.

1) ExciStar-XS

Лазер ExciStar XS — наиболее гибкий УФ-источник, обладающий прекрасной производительностью при доступной цене и подходящий для широчайшего набора научных и индустриальных приложений. Основываясь на статистике, собранной по более чем 1000 установленных в мире лазеров, ExciStar XS является одной из наиболее надежных эксимерных лазерных систем.

Особенности серии:

• доступные длины волн — 157, 193, 248, 308, 351 нм
• максимальная энергия в импульсе от 1 мДж (157 нм) до 18 мДж (248 нм), в зависимости от длины волны
• средняя мощность на 500 Гц — от 0.4 до 8 Вт (в зависимости от длины волны)
• длительность импульса — 10/15/60 нс (в зависимости от модели)
• стабильность энергии в импульсе (стандартное отклонение) — <2% (<3% для 157 нм модели)
• размеры луча -3х6 мм (3х3 мм для 157 нм модели)
• расходимость <1×2 мрад (<1.5×1.5 мрад для 157 нм модели)
• вес — 65-70 кг
• охлаждение -воздушное
• размеры — 650х460х270 мм
• область применения — производство волоконных решеток, производство и контроль CD и DVD, спектроскопия, офтальмология и коррекция зрения, микрообработка материалов, лазерное испарение и напыление, маркировка драгоценных камней и микродеталей

2) COMPexPro

Серия эксимерных лазеров COMPexProTM разработана для приложений требующих высокой энергии импульса. Лазеры COMPexPro отличаются компактным дизайном и простотой в управлении. Они обладают высокой стабильностью как энергии импульса, так и позиции луча, что позволяет достигать оптимальных результатов при использовании этих лазеров в таких сложных процессах как импульсное напыление.

Основные применения:

• Хирургия глаза
• Спектроскопия и ионизация
• Накачка лазеров на красителях
• Испарение и анализ твердотельных образцов
• Обработка и анализ материалов в физике, химии и геологии/палеонтологии
• Импульсное лазерное напыление (PLD)
• Индуктивно-сопряженная масс-спектроскопию (ICP-MS)
• Маркировка

Особенности серии:

• Металлокерамическая трубка NovaTube®
• Модели с воздушным охлаждением
• Патентованный способ равномерной предионизации
• Усовершенствованная система очистки газа
• Встроенный измеритель энергии импульсов с функцией стабилизации
• Обслуживание с одной стороны
• Малые габариты
• Работа от однофазной розетки 110/230 и 50/60 Гц

Технические характеристики:

Рабочая смесь	Длина волны, нм	Энергия в импульсе, мДж	Средняя мощность, Вт	Максимальная частота повторения, Гц
ArF	193	100-400	4-15	100
KrF	248	150-700	7-30	100
XeCl	308	250-500	5-20	100
XeF	351	200-300	4-15	100

Стабильность энергии в импульсе: 1% (3% на 157 нм)

Длительность импульса: 10-25 нс

Джиттер: 2 нс

Вес (с вакуумным насосом): 273-348 кг

Размеры лазера: 1282(1682)х375х793 мм