摘要：

      紫外激光具有波長短、加工精度高、冷加工等特點，在微制造中具有獨特的優(yōu)勢，能有效提高制造質(zhì)量。近年來，隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的快速發(fā)展，紫外激光的應用和發(fā)展也受到了廣泛的關注。在微加工過程中，紫外激光對材料尺寸和形狀要求小，加工過程靈活可變，熱影響面積小，可實現(xiàn)精密復雜結構的加工。本文簡要總結了準分子激光和全固態(tài)激光的工作原理和技術特點。重點介紹了紫外激光在半導體、光學元件和聚合物領域的技術發(fā)展和應用，并進一步預測和展望了未來的研究方向。

1 引言

      隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)需求轉變?yōu)槌叽缧　⒅亓枯p、功能多樣化，需要實現(xiàn)尺寸小、精度高、質(zhì)量高的優(yōu)質(zhì)制造。傳統(tǒng)的 工藝復雜，成本高，加工形狀、尺寸、材料 加工精度低、效率低、副產(chǎn)品有限等問題容易導致 污染嚴重，加工工具磨損嚴重，成品率低。與傳統(tǒng)的加工方法相比，激光微加工具有相關性高、熱影響小、加工效率高、精度和重復率高、材料選擇性低、加工方法靈活多樣、成本低等優(yōu)點。因此，它得到了 實際應用和快速發(fā)展。紫外激光波長短，單光子能量 物質(zhì)原子/分子之間的化學鍵加工可以直接打斷 材料在光化學剝離過程中直接形成氣體顆粒或顆粒 ，對周圍材料沒有明顯影響，幾乎沒有熱影響區(qū)域，從而獲得高尺寸精度和邊緣質(zhì)量。

      紫外激光起源于20世紀60年代的[1]。蘇聯(lián)是世界上第一臺紫外激光器，Basov等[2]使用 Xe第一次獲得 波長172nm 準分子激光。隨后出現(xiàn) XeF、 KrF、ArF 等準分子激光器[3-5]。需要準分子激光器 人們開始關注固體激光器的研發(fā)，繼續(xù)使用腐蝕性鹵素氣體。1989年，浙江大學尤晨華教授[6]使用非線性晶體 BBO 制得216nm深紫外激光。Koji 等 人[7]使用非線性晶體CLBO輸出 20 W、266 nm脈沖紫 外激光輸出取得突破。加工光學元件 隨著技術的日益成熟，紫外激光的譜線不再局限于 355 nm、266 nm 和 213 nm。2006 年，Johansson 等人[8]KTP 晶體(PPKTP)和 BBO 晶體對調(diào) Q 946 nm 激光四倍頻處理， 20 mW 的 236 nm紫外激光輸出。Kimmel 等人[9]開發(fā)新的 型調(diào)Q Nd:YAG脈沖激光器的輸出波長為 237 nm，輸出脈寬為 1.9 ns，平均功率為 7.6 mW。2014 年，Deyra 等[10]Q Nd:YAG 進一步優(yōu)化脈沖激光器 600 mW的 237 nm當時是 237 nm 紫外波段獲得的較高平均功率。

      目前，光譜物理、相關性、占據(jù)了 高端市場紫外激光。 Quasar 高功率 紫外激光器具有高脈沖頻率和高功率紫外輸出的特點。該產(chǎn)品不僅可以調(diào)節(jié)脈沖寬度，還可以編程波形 ，為產(chǎn)品提供高工藝靈活性和可控性，大大提高了加工能力和效率。Quasar 穩(wěn)定性高，使用壽命長，可保證 長期連續(xù)運行24/7。同時，國內(nèi) 華日、英谷、瑞豐恒等企業(yè)也取得了長足的發(fā)展。2009年，華日激光開始開發(fā)納秒級 紫外激光。經(jīng)過8 隨著年的發(fā)展，華日每月可生產(chǎn)600臺納秒紫外激光。2015年，華日成功收購 加 Attodyne，在多倫多建立了世界領先的超快激光研發(fā)中心。

      近年來，紫外激光是工業(yè)激光市場增長較快的 的一部分。紫外激光，特別是準分子激光和全固態(tài)紫外激光，已成為一個新的研究熱點。本文在介紹這兩種紫外激光的工作原理和近年來國內(nèi)外研究進展的基礎上，重點介紹了紫外激光在激光微加工中的應用，預測和展望了紫外激光微加工未來的研究方向。

2 紫外激光器

      氣體主要分為氣體和固體。 介質(zhì)通過電子束或脈沖放電 碰撞刺激氣體顆粒達到一定的高能水平，從而產(chǎn)生紫外線激光。固體介質(zhì)通過一次或多次紅外 紫外線激光接近紅外光。激光器主要包括準分子激光器和全固態(tài)激光器。

2.1.準分子激光器

      以準分子為工作介質(zhì)的氣體 激光器主要是稀有氣體(Ar,Kr,Xe等)和 鹵族元素(F,Cl,Br等)，泵通常以電子束或脈沖放電的形式(如圖1所示)。稀有氣體原子的基態(tài) 刺激后，核電子跳到更高的能量軌道，改變較外層電子的結構，與其他原子結合形成 當刺激分子跳回基態(tài)時，分子分解成 通過諧振腔，原分離原子以光子的形式釋放能量 放大，成為高能紫外激光。準分子激光 使用不同的工作介質(zhì)輸出不同的激光波長，如 Xe2F激光器能輸出較長波長(610)±65) nm，Ar較短波長126nm。常見的準分子激光器包括 ArF 激光器(193 nm)，KrF 激光器(248 nm)和 XeCl 激光(308 nm)等。

2.2.全固態(tài)激光器

      全固態(tài)激光器具有峰值功率高、穩(wěn)定性好、光束 具有質(zhì)量高、體積小等優(yōu)點，應用前景廣闊。固體 紫外激光生產(chǎn)過程主要分為以下兩個步驟： 1） 泵光源通過激光內(nèi)光路照射到增強介質(zhì)上 粒子數(shù)反轉，紅外光作為諧振腔內(nèi)的基波；2) 基波通過鏡片透射和反射在諧振腔內(nèi)振蕩 諧振腔輸出所需的紫外光譜。紫外固體激光器主要分為紫外固體激光器 燈泵和激光二極管(LD)泵浦，其中LD紫 外固體激光器又稱全固體激光器，其光路原理如圖2所示。

目前，全固態(tài)激光廣泛應用于增強介質(zhì) Nd:YAG和 Nd:YVO兩者的主要物理性質(zhì)如表1所示。Nd:YAG 晶體導熱性好，熒光壽命長，激光系統(tǒng)硬件 散熱要求低，能滿足脈沖激光和大功率激光 工作和使用要求。Nd:YAG 晶體較高 機械強度，對激光波長范圍內(nèi)的光具有較高的透光率，能獲得較好的光束質(zhì)量。Nd:YAG晶體已成為 LD增強介質(zhì)是泵浦紫外固體激光器的首選。

相比于Nd:YAG，Nd:YVO4它是一種單軸晶體，在使用過程中具有較高的吸收帶寬和輸出偏振光，但由于其自身的物理和機械性能，不能制備大型優(yōu)質(zhì)晶體，晶體熱導率小，部分用于小功率激光和薄片激光 。紫外激光的頻率轉換方法主要包括：1） 紅外激光三、四、五諧波三、四、五諧波采用非線性晶體直接處理；2) 首先使用 雙頻處理制造二次諧波，然后利用和頻技術制造二次諧波 三倍頻紫外激光與基波混合。由于二次非線性極化，后者比前者更有效。實現(xiàn)激光 非線性晶體直接影響基波頻率轉換的關鍵部件 輸出功率的大小和光束的質(zhì)量。常見的紫外激光器 主要包括非線性晶體 LBO(三硼酸鋰，LiB3O5)和 KTP(磷酸鈦氧鉀，KTiOPO4)。如表2所示。LBO 倍頻系數(shù)高，透光波段寬，光學均勻性高。LBO通過溫度調(diào)節(jié)或 非臨界相位匹配可以臨界相位匹配。激光損傷 閾值高，廣泛應用于二級諧波、三級諧波、四級諧波 諧波及其和頻、差頻處理等領域。KTP 晶體的光學波長范圍為 350 nm~4500 nm，硬度高，不易潮解，化學性能穩(wěn)定。目前主要用于 Nd:YAG 激光內(nèi)腔倍頻處理。

      中國已成為世界上唯一掌握深紫外全固態(tài)激光技術和實用性的國家。研究人員研究了非線性光學晶體 氟硼鈹酸鉀晶體(KBBF)，國際上率先制造大尺寸 KBBF 并針對晶體 KBBF 晶體發(fā)明的特殊棱鏡耦合器 深紫外固態(tài)激光源[13](如圖所示 3 激光的倍頻輸出不需要根據(jù)匹配角直接實現(xiàn)。

      此外，中國科學院成功開發(fā)了深紫外光譜儀和深紫外光譜儀 8種國際先進的深紫外線*設備，如紫外線電子發(fā)射顯微鏡，拉曼光譜儀、光發(fā)光譜儀、光耦合掃描隧道 顯微鏡擴展到深紫外激光波段 主要技術指標(能量分辨率、動量分辨率和旋轉分辨率) 和光發(fā)射電子顯微鏡測量精度成量級，促進科學 儀器行業(yè)發(fā)揮了積極作用。(本次發(fā)射僅為節(jié)選、節(jié)選、推送)

來源：光行天下