紫外激光具有波長(zhǎng)短、加工精度高、冷加工等特點(diǎn)，在微制造中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能有效提高制造質(zhì)量。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的快速發(fā)展，紫外激光的應(yīng)用和發(fā)展也受到了廣泛的關(guān)注。在微加工過(guò)程中，紫外激光對(duì)材料尺寸和形狀要求小，加工過(guò)程靈活可變，熱影響面積小，可實(shí)現(xiàn)精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工。本文簡(jiǎn)要總結(jié)了準(zhǔn)分子激光和全固態(tài)激光的工作原理和技術(shù)特點(diǎn)。重點(diǎn)介紹了紫外激光在半導(dǎo)體、光學(xué)元件和聚合物領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，并進(jìn)一步預(yù)測(cè)和展望了未來(lái)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(zhuǎn)變?yōu)槌叽缧　⒅亓枯p、功能多樣化，需要實(shí)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(fù)雜，成本高，加工形狀、尺寸、材料 易導(dǎo)致加工精度低、效率低、副產(chǎn)品有限等問(wèn)題 污染嚴(yán)重，加工工具磨損嚴(yán)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(guān)性高、熱影響小、加工效率高、精度和重復(fù)率高、材料選擇性低、加工方法靈活多樣、成本低等優(yōu)點(diǎn)。所以，它得到了 實(shí)際應(yīng)用和快速發(fā)展。紫外激光波長(zhǎng)短，單光子能量 物質(zhì)原子/分子之間的化學(xué)鍵加工可以直接中斷 材料在光化學(xué)剝離過(guò)程中直接形成氣體顆粒或顆粒 ，對(duì)周圍材料影響不大，幾乎沒(méi)有熱影響區(qū)，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(jì)60年代的[1]。蘇聯(lián)是世界上第一臺(tái)紫外激光器，Basov等[2]使用 Xe第一次獲得 波長(zhǎng)172nm 準(zhǔn)分子激光。隨后出現(xiàn) XeF、 KrF、ArF 等準(zhǔn)分子激光器[3-5]。需要準(zhǔn)分子激光器 人們開始關(guān)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(xué)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(xué)元件 隨著技術(shù)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(duì)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(zhǎng)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(jìn)一步優(yōu)化脈沖激光器 600 mW的 237 nm當(dāng)時(shí)是 237 nm 紫外波段獲得的較高平均功率。

目前，光譜物理、相關(guān)性、占據(jù)了 高端市場(chǎng)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(diǎn)。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(zhǎng)，可保證 長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行24/7。同時(shí)，國(guó)內(nèi) 華日、英谷、瑞豐恒等企業(yè)也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。2009年，華日激光開始開發(fā)納秒級(jí) 紫外激光。經(jīng)過(guò)8 隨著年的發(fā)展，華日每月可生產(chǎn)600臺(tái)納秒紫外激光。2015年，華日成功收購(gòu) 加 Attodyne，在多倫多建立了世界領(lǐng)先的超快激光研發(fā)中心。

近年來(lái)，紫外激光是工業(yè)激光市場(chǎng)增長(zhǎng)較快的 的一部分。紫外激光，特別是準(zhǔn)分子激光和全固態(tài)紫外激光，已成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。本文在介紹這兩種紫外激光的工作原理和近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了紫外激光在激光微加工中的應(yīng)用，預(yù)測(cè)和展望了紫外激光微加工的未來(lái)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(guò)電子束或脈沖放電 碰撞刺激氣體顆粒達(dá)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(guò)一次或多次紅外 紫外激光接近紅外激光。激光器主要包括準(zhǔn)分子激光器和全固態(tài)激光器。

2.1.準(zhǔn)分子激光器

以準(zhǔn)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(jié)構(gòu)，與其他原子結(jié)合形成 當(dāng)刺激分子跳回基態(tài)時(shí)，分子分解成 原分離原子以光子的形式通過(guò)諧振腔釋放能量 放大，成為高能紫外激光。準(zhǔn)分子激光 使用不同的工作介質(zhì)輸出不同的激光波長(zhǎng)，如 Xe2F激光器能輸出較長(zhǎng)波長(zhǎng)(610)±65) nm，Ar較短波長(zhǎng)126nm。常見的準(zhǔn)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)激光功率高，穩(wěn)定性好，光束 具有質(zhì)量高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。固體 紫外激光生產(chǎn)過(guò)程主要分為以下兩個(gè)步驟： 1） 泵光源通過(guò)激光內(nèi)光路照射到增強(qiáng)介質(zhì)上 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，紅外光作為諧振腔內(nèi)的基波；2) 基波在諧振腔內(nèi)通過(guò)鏡片傳射和反射振蕩 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(yīng)用于增強(qiáng)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(dǎo)熱性好，熒光壽命長(zhǎng)，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(jī)械強(qiáng)度，對(duì)激光波長(zhǎng)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(qiáng)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(guò)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(jī)械性能，不能制備大型優(yōu)質(zhì)晶體，晶體熱導(dǎo)率小，部分用于小功率激光和薄片激光 。紫外激光的頻率轉(zhuǎn)換方法主要包括：1） 紅外激光三、四、五諧波三、四、五諧波直接處理非線性晶體；2) 首先使用 雙頻處理制造二次諧波，然后利用和頻技術(shù)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(shí)現(xiàn)激光 非線性晶體直接影響基波頻率轉(zhuǎn)換的關(guān)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(xué)均勻性高。LBO或通過(guò)溫度調(diào)節(jié) 非臨界相位匹配可用于臨界相位匹配。激光損傷 閾值高，廣泛應(yīng)用于二級(jí)諧波、三級(jí)諧波、四級(jí)諧波 諧波及其和頻、差頻處理等領(lǐng)域。KTP 晶體的光學(xué)波長(zhǎng)范圍為 350 nm~4500 nm，硬度高，不易潮解，化學(xué)性能穩(wěn)定。目前主要用于 Nd:YAG 激光內(nèi)腔倍頻處理。

中國(guó)已成為世界上唯一掌握深紫外全固態(tài)激光技術(shù)和實(shí)用性的國(guó)家。研究人員研究了非線性光學(xué)晶體 氟硼鈹酸鉀晶體(KBBF)，國(guó)際上率先制造大尺寸 KBBF 并針對(duì)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] 3 激光的倍頻輸出不需要根據(jù)匹配角直接實(shí)現(xiàn)。

此外，中國(guó)科學(xué)院成功開發(fā)了深紫外光譜儀和深紫外光譜儀 8種國(guó)際先進(jìn)的深紫外線*設(shè)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(kuò)展到深紫外激光波段 主要技術(shù)指標(biāo)(能量分辨率、動(dòng)量分辨率和旋轉(zhuǎn)分辨率) 和光發(fā)射電子顯微鏡測(cè)量精度成量級(jí)，促進(jìn)科學(xué) 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)