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準分子激光器

星之球科技 來源:網(wǎng)易2021-12-14 我要評論(0 )   

準分子激光器(Excimer lasers)正在面臨來自固態(tài)激光器的激烈競爭,但是在紫外波段它仍是最佳的光源,具有高能量,高峰值功率,高平均功率,可脈沖工作。同時它也有一...

準分子激光器(Excimer lasers)正在面臨來自固態(tài)激光器的激烈競爭,但是在紫外波段它仍是最佳的光源,具有高能量,高峰值功率,高平均功率,可脈沖工作。同時它也有一些缺點,比如光束質(zhì)量差(多模結(jié)構(gòu),發(fā)散角大等),體積大,運行成本高,維保復(fù)雜。這個領(lǐng)域的專家們說,隨著近些年技術(shù)的發(fā)展,準分子激光器的各種缺陷其實已經(jīng)改善很多了。

準分子激光器和氮分子激光器是最流行的兩種紫外波段氣體激光器。激光工作介質(zhì)是惰性氣體、鹵素氣體和緩沖氣體(一般是氖氣)的混合物。一種典型的混合比例是,2~9%惰性氣體,0.2%鹵素氣體,90~98%緩沖氣體,其中緩沖氣體主要用于傳輸能量。混合氣體存儲于高壓瓶中,典型氣壓是3500~5000millibar (3.5~5個大氣壓),工作時使用寬度為幾十個納秒的高壓短脈沖對混合氣進行放電激勵,從而生成惰性氣體的鹵化物,如ArF, KrF, XeF, XeCl等,這些鹵化物的壽命都非常短,并且基態(tài)很不穩(wěn)定。

Table 4.3 列出了常用惰性氣體鹵化物的基本性質(zhì)。

準分子的英文"excimer"來源于"excited dimer"的縮寫,即受激二聚物,用于描述一種特別的二聚物分子RH*,這種分子形式僅有激發(fā)態(tài)(E1態(tài)),基態(tài)(E0態(tài))并不存在。激光躍遷就發(fā)生在E1態(tài)和E0態(tài)之間,如下圖所示。

E0態(tài)的復(fù)合分子是不穩(wěn)定的,會迅速瓦解,恢復(fù)到獨立分子的狀態(tài),導(dǎo)致低能級粒子數(shù)減少,很容易形成激光振蕩所需的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件。

激光器工作過程中,混合氣會出現(xiàn)慢性損耗,會導(dǎo)致激光器性能下降。在商用激光器中,高壓氣瓶不是全密封的,需要定期給激光器充氣,充氣間隔可以是10^3~10^6個激光脈沖,以觀察到明顯的性能下降為準。需要注意的是,準分子激光器會涉及有毒有害物質(zhì),因此一定要按照規(guī)定的安全程序進行操作和維護。在準分子技術(shù)發(fā)展的初期,由于鹵素氣體造成的高壓氣瓶腐蝕曾經(jīng)造成過嚴重的事故?,F(xiàn)代的激光器已經(jīng)通過材料選型解決了這個問題,電極材料選用鎳或溴,不再使用基于有機材料制造的潤滑、密封、絕緣材料。這些措施可以使準分子氣體的壽命延長到10^8個脈沖量級。

準分子介質(zhì)的激光增益很大,輸出耦合器的反射率只要達到10~30%就可以有足夠的能量輸出。最常使用的發(fā)光譜線是193 nm (ArF), 248 nm (KrF), 308 nm (XeCl), 351 nm (XeF)。這些激光器的功率范圍是1W(KrF)到100W(KrFXeCl),也有更大的。Table 4.4 列出了常見的激光參數(shù)。

激光器的光學(xué)元件也需要維護,這也是決定激光壽命的第二大因素。XeCl 激光器的光學(xué)元件是使用石英或熔融石英制作的。XeF 激光器的光學(xué)元件則是使用MgF2,這主要是因為氟氣會腐蝕石英或熔融石英。

準分子激光器的主要優(yōu)點是高能量、高功率。已知最大的一個準分子激光器是美國Los Alamos National Laboratory 的“Aurora”裝置,主要指標是5 ns, 5 kJ, KrF,用于可控核聚變研究。在科研領(lǐng)域,準分子主要用于激勵染料激光器,以及用于產(chǎn)生真空紫外波段的高次諧波,這在計量學(xué)和系統(tǒng)準直方面有特別重要的意義。準分子激光在檢測大氣污染和臭氧層方面也有重要應(yīng)用。

在光刻領(lǐng)域,準分子激光器是最主要的深紫外光源,廣泛應(yīng)用于刻蝕各種電路結(jié)構(gòu)、定位點、商標,適用于陶瓷、玻璃、塑料、金屬等多種材料。KrF 和 ArF 激光器應(yīng)用于遠紫外光刻工藝中,制造的電路特征尺寸可以小于0.18 μm。


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