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勢，可有效提高制造質量。近年來，隨著現代電子產業的快速發展，紫外激光的應用和發展也受到了廣泛的關注。紫外激光在微加工過程中對材料尺寸和形狀要求小，加工過程靈活可變，熱影響區小，可實現精密復雜結構的加工。本文介紹了紫外激光的發展過程，并簡要總結了兩種紫外激光：準分子激光和全固態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展和應用現狀，并進一步預測和展望了未來的研究方向。

1 引言

隨著現代電子工業的快速發展，工業需求轉變為尺寸小、重量輕、功能多樣化，需要實現尺寸小、精度高、質量高的高質量制造。傳統的制造 方法存在工藝復雜、成本高、加工形狀、尺寸、材料 有限等問題，容易導致加工精度低、效率低、副產品 污染嚴重、加工工具磨損嚴重、成品率低等問題。與傳統的加工方法相比，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、成本低等優點。因此，它得到了 的實際應用和快速發展。紫外激光波長短，單光子能量 高，可直接打斷物質原子/分子之間連接的化學鍵加工 材料，導致被照射區材料直接形成氣體粒子或粒子 ，發生光化學剝離過程，對周圍材料沒有明顯影響，幾乎沒有熱影響區域，從而獲得高尺寸精度和邊緣質量。

紫外激光器起源于上世紀六十年代[1]。世界上第 一臺紫外激光器來自蘇聯，Basov等[2]使用 Xe2第一次獲得 波長172nm 準分子激光。隨后出現 XeF、 KrF、ArF 等準分子激光器[3-5]。由于準分子激光器需要 繼續使用腐蝕性鹵素氣體，因此在實際使用中受到 的限制，使人們開始關注固體激光器的研發。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。2000年，日本 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。隨著光學元件加工 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 Q 946 nm 激光四倍頻處理，制得 20 mW 的 236 nm紫外激光輸出。2008年，Kimmel 等人[9]開發新的 型調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 脈沖激光器進一步優化，獲得 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、占據了 紫外激光的高端市場。新 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。該產品不僅可以調節脈沖寬度，還可以編程波形 ，為產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 穩定性高，使用壽命長，可保證 24/7的長期連續運行。同時，國內 品牌也取得了長足的發展，華日、英谷、瑞豐恒等企業也取得了良好的發展。2009年，華日激光開始開發納秒級 紫外激光器。經過8 年的發展，的納秒級紫外 激光器月產量可達 600臺。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中心。

近年來，紫外激光是工業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

紫外線激光生產介質主要分為氣體和固體。氣體 介質通過電子束或脈沖放電，通過電子 碰撞刺激氣體顆粒到一定的高能水平，從而產生紫外線激光。固體介質是通過通過非線性倍頻晶體轉換一次或多次紅外 或近紅外光獲得紫外線激光。 激光器主要包括準分子激光器和全固態激光器。

2.1.準分子激光器

準分子激光器是一種以準分子為工作介質的氣體 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）。基態稀有氣體原子 受到刺激后，核電子跳到更高的能量軌道，改變原較外層電子的結構，與其他原子結合形成 分子，當刺激分子跳回基態時，分解成 原分離原子，能量以光子的形式釋放，通過諧振腔 放大，成為高能紫外激光。準分子激光 通過使用不同的工作介質輸出不同的激光波長，如 Xe2F激光器可以輸出較長波長(610±65) nm，Ar2激光 可輸出較短波長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.全固態激光器

全固態激光器具有峰值功率高、穩定性好、光束 質量高、體積小等優點，具有更廣的應用前景。固體 激光器的紫外激光產生過程主要分為以下兩個步驟： 1) 泵浦光源經激光器內光路照射到增強介質上，實現 粒子數反轉，在諧振腔內形成紅外光，作為基波；2) 基波在諧振腔內振蕩，經過一次或多次非線性晶體腔 內倍頻，得到所需的紫外譜線后經鏡片透射、反射從 諧振腔輸出。紫外固體激光器采用的泵浦方式主要分 為燈泵浦和激光二極管(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，全固態激光廣泛應用于增強介質 Nd:YAG(釹鋁石榴石)和 Nd:YVO4兩者的主要物理性質如表1所示。Nd:YAG 晶體導熱性好，熒光壽命長，對激光系統硬件 散熱要求低，能滿足脈沖激光和大功率激光 的工作和使用要求。Nd:YAG 晶體具有較高的 機械強度，對激光波長范圍內的光具有較高的透光率，能獲得較好的光束質量。Nd:YAG目前晶體已成為 LD增強介質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，但受其自身物理和機械性能的限制，不能制備大型高質量晶體，晶體熱導率較小，部分應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） 使用非線性晶體直接處理紅外激光三次、四次或五次諧波得到三次、四次或五次諧波；2） 首先使用 倍頻處理制造二次諧波，然后使用和頻技術將二次諧波 與基波混合制造三倍頻紫外激光。后者比前者更有效，因為二次非線性極化。實現激光 基波頻率轉換的關鍵部件為非線性晶體，直接影響 輸出功率的大小和光束的質量。紫外激光器中常見的 非線性晶體主要包括 LBO(三硼酸鋰，LiB3O5)和 KTP(磷酸鈦氧鉀，KTiOPO4)。兩者的部分物理性質如表2所示。LBO 倍頻系數高，透光波段寬，光學均勻性高。LBO接收角度范圍寬，離散角小，可實現非臨界相位匹配，通過溫度調整或 角度調整可實現相位匹配的返回。同時，激光損傷 閾值高，廣泛應用于高平均功率的二級諧波、三級諧波、四級 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，化學性能穩定。目前主要用于 Nd:YAG 激光內腔倍頻處理。

在深紫外激光研究領域，中國已成為世界上唯一掌握深紫外全固態激光技術和實用性的國家。中國科學院的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 晶體，并針對 KBBF 晶體發明的特殊棱鏡耦合器 件[12]可以開發實用的深紫外固態激光源[13](如圖 3 所示)，無需根據匹配角直接實現激光的倍頻輸出。

此外，中國科學院成功開發了8種國際先進的深紫外線*設備，如深紫外線拉曼光譜儀、深 紫外線電子發射顯微鏡，將拉曼光譜儀、光發光譜儀、光耦合掃描隧道 顯微鏡擴展到深紫外線激光波段 主要技術指標（能量分辨率、動量分辨率和旋轉分辨率） 和光發射電子顯微鏡測量精度成量級，在促進科學 儀器行業方面發揮了積極作用。（本次發射僅為節選，僅為節選，推）