Introduction
Avec le développement rapide de la technologie, il existe un besoin pour des équipements laser plus légers, plus efficaces, plus petits, multifonctionnels et de haute qualité pour l'électronique, la thérapie médicale, la biologie et les matériaux. Actuellement, les lasers courants sont disponibles dans les longueurs d'onde infrarouges et visibles. Les outils, processus et technologies laser traditionnels souffrent d'une faible efficacité, d'un fonctionnement complexe, de coûts élevés, d'une portée restreinte, de pertes importantes et d'une faible précision. Les lasers UV ont été étudiés à plusieurs reprises par les scientifiques au cours des dernières décennies pour leur cohérence, leur commodité, leur stabilité et leur fiabilité relativement élevées, leur faible coût, leur accordabilité, leur petite taille, leur haute efficacité, leur précision et leur aspect pratique.
2. Laser UV
Les lasers UV sont principalement divisés en lasers UV à gaz et lasers à solide UV solides. Le milieu de travail atteint un état excité en absorbant l'énergie externe sous l'action de la source de pompage, et après que le gain d'inversion du nombre de particules est supérieur à la perte, la lumière est amplifiée et une partie de la lumière amplifiée est réinjectée pour continuer l'excitation ainsi générer une oscillation dans la cavité résonnante pour produire le laser. Les milieux gazeux sont principalement utilisés dans les décharges pulsées ou par faisceau d'électrons, où les collisions entre électrons excitent les particules de gaz de niveaux d'énergie faibles à des niveaux d'énergie élevés pour produire des sauts excités pour obtenir des lasers UV. Le milieu solide est un cristal de doublage de fréquence non linéaire qui produit une lumière laser UV rayonnant vers l'extérieur après une ou plusieurs transitions de fréquence. Les lasers excimères et UV à l'état solide sont couramment utilisés pour le traitement et la manipulation au laser.
2.1. Lasers à excimères
Les principaux lasers UV à gaz sont les lasers excimères, les lasers à ions argon, les lasers moléculaires à l'azote, les lasers moléculaires au fluor, les lasers hélium-cadmium, etc. Les lasers excimères, etc. sont couramment utilisés pour le traitement au laser. Les lasers à excimère sont des lasers à gaz avec un excimère comme substance de travail. Ce sont également des lasers pulsés et ont suscité un grand intérêt pour la recherche depuis la création du premier laser à excimère en 1971. L'excimère est une molécule composée instable qui se décompose en atomes dans certaines circonstances. La fréquence de répétition et la puissance moyenne sont la base pour juger des lasers à excimère. Une certaine proportion de gaz rares tels que Ar, Kr et Xe mélangés à des éléments halogènes tels que F, Cl et Br sont les principales substances de travail des lasers à gaz UV, qui sont pompés au moyen de faisceaux d'électrons ou de décharges pulsées. Lorsque des atomes de gaz nobles et rares à l'état fondamental sont excités, les électrons à l'extérieur du noyau sont ainsi excités vers des orbitales supérieures de sorte que la couche d'électrons la plus externe est remplie et combinée avec d'autres atomes pour former des quasi-molécules, qui rebondissent ensuite vers le état fondamental et se décomposent en atomes d'origine. Le xénon liquide était la substance de travail des premiers lasers à excimères. Les lasers à excimères actuels comprennent également le laser ArF à 193 nm, le laser KrF à 248 nm et le laser XeCl à 308 nm.
2.2. Lasers UV à semi-conducteurs
Les avantages exceptionnels des lasers UV à semi-conducteurs sont leur petite taille pratique, leur grande fiabilité et leur stabilité opérationnelle. Le plus couramment utilisé est le cristal Nd:YAG habituel pour le pompage LD, qui est ensuite doublé en fréquence.
Les principales étapes de la génération d'un laser à solide UV sont d'abord le pompage de la source lumineuse dans le laser sur le milieu intensificateur pour réaliser l'inversion du nombre de particules, la formation et l'oscillation de la lumière rouge fondamentale dans la cavité résonnante, puis la doublement de la fréquence dans la cavité par un ou plusieurs cristaux non linéaires, et enfin la sortie du laser UV désiré de la cavité résonnante après transmission et réflexion. Les lasers UV à semi-conducteurs sont généralement obtenus en utilisant des méthodes de pompage par diode LD et de pompage par lampe. Les lasers UV à semi-conducteurs sont des lasers à semi-conducteurs UV à pompage LD.
Nd:YAG (grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au néodyme) et Nd:YVO4 (vanadate d'yttrium dopé au néodyme) sont deux des types les plus courants de cristaux de milieu renforcé. Une méthode courante d'amélioration des cavités résonnantes consiste à utiliser une petite diode laser à semi-conducteur LD pompée avec un cristal laser Nd:YVO4 à une longueur d'onde de 808 nm pour produire une lumière proche infrarouge à 1064 nm. Comparé au Nd:YAG, le cristal laser Nd:YVO4 a une section efficace de gain plus grande, quatre fois celle du Nd:YAG, un coefficient d'absorption plus grand, cinq fois celui du Nd:YAG, et un seuil laser plus bas. Comparé au Nd:YAG, le cristal laser Nd:YVO4 a une section efficace de gain plus grande, quatre fois celle du Nd:YAG, un coefficient d'absorption plus grand, cinq fois celui du Nd:YAG, et un seuil laser plus bas. Les cristaux Nd:YAG ont une résistance mécanique élevée, une transmission lumineuse élevée, une longue durée de vie de fluorescence et ne nécessitent pas de système de dissipation thermique et de refroidissement rigoureux.
3. Applications des lasers UV
Le traitement laser UV présente de nombreux avantages et est actuellement la technologie de choix dans le développement de l'information technologique. Premièrement, le laser UV peut produire des longueurs d'onde ultra-courtes de lumière laser, qui peuvent traiter avec précision des matériaux ultra-petits et fins; deuxièmement, le "traitement à froid" du laser UV ne détruit pas le matériau lui-même dans son ensemble, mais traite uniquement sa surface ; de plus, il n'y a pratiquement aucun effet de dommage thermique. Certains matériaux n'absorbent pas efficacement les lasers visibles et infrarouges, ce qui les rend impossibles à traiter. Le plus grand avantage des UV est que pratiquement tous les matériaux absorbent plus largement la lumière UV. Les lasers UV, en particulier les lasers UV à semi-conducteurs, sont compacts et petits, simples à entretenir et faciles à produire en grande quantité. Les lasers UV sont utilisés dans un large éventail d'applications dans le traitement des biomatériaux médicaux, la médecine légale dans les affaires pénales, les cartes de circuits intégrés, l'industrie des semi-conducteurs, les composants micro-optiques, la chirurgie, les communications et les radars, ainsi que le traitement et la découpe au laser.
3.1. Modification des propriétés de surface des matériaux biologiques
Dans certains traitements, de nombreux matériaux médicaux doivent être compatibles avec les tissus humains ou même réparés, comme le traitement au laser ultraviolet des maladies intraoculaires et les expériences sur les cornées de lapin qui nécessitent parfois des modifications des propriétés des protéines biologiques et des structures biomoléculaires. Après avoir ajusté les paramètres d'impulsion optimaux du laser UV excimère, les expérimentateurs ont ensuite irradié la surface des biomatériaux médicaux avec des lasers de 100 nm, 120 nm et 200 nm respectivement, améliorant ainsi la structure physicochimique de la surface du matériau et ne modifiant pas la structure chimique globale de le matériau, et rendre les biomatériaux organiques traités nettement plus compatibles et hydrophiles avec les tissus humains grâce à des expériences comparatives avec des cellules biologiques cultivées, ce qui est d'une grande aide dans les applications de biologie médicale.
3.2. Dans le domaine de l'enquête criminelle
Dans le domaine des enquêtes criminelles, les empreintes digitales ont été utilisées comme preuves biologiques importantes laissées sur les lieux du crime par des suspects dans des affaires pénales depuis qu'il a été découvert que les empreintes digitales sont aussi uniques que l'ADN. Les anciennes méthodes peuvent endommager les échantillons et compliquer la collecte et le stockage des pièces à conviction. La recherche actuelle a des résultats exceptionnels pour les empreintes digitales de surface d'objets non pénétrants, tels que les apparences de ruban adhésif, de photographies, de verre, etc. L'imagerie par luminescence UV" et l'"imagerie par réflectance laser UV" sont utilisées pour observer et enregistrer la détection et la collecte d'empreintes digitales par irradiation laser UV d'empreintes digitales potentielles à travers des filtres passe-bande à 266 nm et 340 nm respectivement. Soixante-dix pour cent des 120 échantillons testés dans l'expérience ont été détectés avec succès.La technique UV à ondes courtes augmente le taux de réussite des empreintes digitales potentielles, et la facilité et la rapidité avec lesquelles les propriétés optiques peuvent être contrôlées la rendent prometteuse pour une utilisation dans la science des salles d'audience. les cellules exfoliées, les taches de sang, les cheveux avec des follicules pileux et d'autres échantillons biologiques courants peuvent être détectés par détection UV.Cependant, lorsque le laser UV à ondes courtes de 266 nm a été utilisé pour irradier des échantillons biologiques à une distance fixe et à différentes durées, puis pour extraire ADN, il a été constaté que le laser UV à ondes courtes de 266 nm avait un effet sérieux sur les résultats ADN de cinq types courants de preuves biologiques : les empreintes digitales, b les taches de sang, les taches de salive, les cellules perdues et les cheveux avec des follicules pileux, mais seulement dans une moindre mesure sur la détection de DAN biologique pour les cheveux, y compris les follicules pileux, la salive et les taches de sang. Les lasers UV à ondes courtes peuvent affecter certains biomatériaux d'ADN, de sorte que la méthode d'extraction doit être soigneusement choisie pour sa valeur probante lors des enquêtes médico-légales.
3.3. Applications laser UV sur cartes de circuits intégrés
La production d'une large gamme de cartes de circuits imprimés dans l'industrie, du câblage initial à la production de minuscules puces embarquées de précision nécessitant des processus avancés, des circuits flexibles dans les cartes de circuits intégrés, des circuits laminés en polymères et en cuivre nécessitent tous le perçage et la découpe de micro-trous, ainsi que la réparation et l'inspection des matériaux sur les planches, nécessitant souvent l'utilisation de la micro-fabrication et du traitement. La technologie de micro-usinage au laser est clairement le meilleur choix pour le traitement des circuits imprimés. Le laser n'entre pas en contact avec le produit à traiter pendant le processus, évitant efficacement les forces mécaniques, ce qui se traduit par un traitement rapide, une grande flexibilité et aucune exigence particulière pour le lieu de travail, qui peut atteindre des magnitudes inférieures au micron grâce au réglage précis du laser paramètres et conception de la recherche. Les méthodes de perçage plus traditionnelles utilisées sur les circuits imprimés sont l'utilisation de lasers UV et de lasers CO2 pour le marquage non métallique (les lasers CO2 d'une longueur d'onde de 10,6 μm sont utilisés pour le marquage de matériaux non métalliques ; les longueurs d'onde de 1064 nm ou 532 nm sont généralement utilisé pour le marquage de matériaux métalliques). À l'heure actuelle, la technologie de traitement au laser UV est encore principalement utilisée, ce qui permet d'obtenir un traitement au niveau du micron, une grande précision, peut produire des dispositifs micro-zéro ultra-fins, peut être appliqué à moins de 1 μm du faisceau laser du micro-trou En traitement. Cependant, les lasers CO2 sont principalement utilisés pour les trous entre 75 et 150 mm et sont sujets au désalignement dans les petits trous, tandis que les lasers UV peuvent être utilisés pour des trous jusqu'à 25 mm avec une grande précision et sans désalignement. Par exemple, dans le traitement "à froid" des cartes de circuits imprimés cuivrées avec des lasers femtosecondes UV, une méthode d'équilibrage complète est utilisée pour obtenir les paramètres de processus optimaux, et les propriétés de gravure sélective sont ensuite utilisées pour obtenir une haute qualité et une efficacité élevée. gravure micro-ligne de surfaces cuivrées avec une largeur de ligne de 50 μm et un pas de ligne de 20 μm.
3.4 Traitement et préparation des composants micro-optiques
À l'ère des technologies de l'information et du développement rapide de l'industrie moderne, la nécessité de construire davantage de systèmes expérimentaux dans un espace réduit et de réaliser davantage de fonctions nécessite le développement accéléré des technologies de l'information et, plus important encore, la production de systèmes plus petits, miniaturisés et entièrement dispositifs fonctionnels qui ne traitent que les liaisons chimiques à la surface du matériau. Il a des applications importantes et une valeur de recherche dans les domaines de la communication radar militaire, de la thérapie médicale, de l'aérospatiale et de la biochimie. Des coupes et optimisations plus approfondies et des recherches et développements d'applications sur des composants micro-optiques à l'échelle nanométrique sont possibles, transformant les fonctions et les propriétés des composants optiques traditionnels. Les micro-optiques ont l'avantage d'être faciles à produire en masse, faciles à mettre en réseau, petites, légères et flexibles, mais le matériau principal est le verre de quartz. Le verre de quartz est sujet aux fissures et aux cratères lors de l'application et de la manipulation et est un matériau dur et cassant, ce qui réduit considérablement ses propriétés optiques. En conséquence, la technologie de traitement "à froid" d'écriture directe du laser UV a considérablement amélioré l'efficacité des dispositifs micro-optiques, permettant le traitement rapide des composants micro-optiques avec une haute précision et une structure fine sans endommager le matériau, et permettant un traitement flexible de grands et petits lots avec des exigences différentes. Alors que des instituts de recherche étrangers ont étudié plus tôt le traitement UV-UV des tranches de silicium, la recherche nationale sur la technologie et les facettes de découpe des tranches de silicium n'a été menée qu'après un démarrage relativement tardif. Découpe optimisée de trois tranches de silicium du même matériau (0.18 mm, 0.38 mm et 0.6 mm) avec une ouverture minimale de 45 μm et une précision d'usinage de 20 μm, ne montrant aucune fissure dans le matériau, moins d'influence thermique du laser et moins de projections.
3.4. Applications laser UV dans l'industrie des semi-conducteurs
Le micro-usinage de matériaux semi-conducteurs avec des lasers UV a reçu une attention croissante ces dernières années. Des milliers de composants de circuits denses sont très courants dans les circuits intégrés, de sorte que certaines méthodes de manipulation et de traitement de haute précision sont nécessaires, ainsi que certains instruments et dispositifs de haute précision tels que les matériaux semi-conducteurs en silicium et saphir et d'autres films minces semi-conducteurs de microtraitement de précision par Laser UV et étudier les propriétés spectrales du film, tandis que le laser UV peut également augmenter l'utilisation de l'énergie lumineuse des matériaux en silicium, mais également modifier la microstructure de la surface du silicium, ce qui est propice au développement de panneaux solaires, tels que deux- micro-réseau dimensionnel, etc.
4. remarques finales
Grâce à des décennies de développement et de recherche, la technologie et les applications des lasers UV sont devenues de plus en plus répandues et matures, et sa technologie de traitement fine "à froid" la plus caractéristique micro-traite et traite les surfaces sans modifier les propriétés physiques de l'objet, et est largement utilisé dans diverses industries et domaines tels que les communications, l'optique, l'armée, les enquêtes criminelles et les traitements médicaux. L'ère de la 5G, par exemple, génère une demande de traitement FPC. Avec la poursuite du développement de l'industrie 5G et la poursuite des écrans OLED flexibles par les principaux fabricants d'électronique, la demande de cartes de circuits flexibles FPC augmente rapidement, et avec elle, la demande de lasers UV. Cette tendance conduira, espérons-le, à un développement rapide de la technologie UV elle-même pour réaliser de plus grandes percées en termes de puissance et de largeur d'impulsion, ainsi qu'à de nouveaux domaines d'application. L'application de machines laser UV a rendu possible le traitement à froid de précision de matériaux tels que le FPC, tandis que l'augmentation progressive du FPC a entraîné le déploiement de la 5G, dont les caractéristiques de faible latence offrent des opportunités illimitées pour de nouvelles vagues de développement technologique telles que la technologie cloud, le Internet des objets, sans conducteur et VR. Il s'agit bien sûr d'un concept complémentaire, et de nouvelles technologies et applications conduiront à terme au développement ultérieur des lasers UV.
Alors que de plus en plus de nouveaux cristaux de doublage de fréquence et de supports de gain émergent, plus la longueur d'onde est courte, plus la puissance du laser UV sera élevée à l'avenir dans plus d'industries pour promouvoir le développement de tous les horizons de la vie, les lasers UV dans le domaine du traitement plus intelligent, efficace et précis, taux de répétition élevé, une grande stabilité est la tendance du développement futur.
