本文作者：蘇 暢，馬宇航，丁可可，韋 龍，李再金* ，趙志斌，曾麗娜，李 林，喬忠良，陳 浩，曲 軼，

來自海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，海南省激光技術(shù)與光電功能材料重點實驗室，僅供行業(yè)交流學(xué)習(xí)之用，感謝分享！

1. 引言

隨著科技的快速發(fā)展，電子、醫(yī)學(xué)治療、生物還有材料等方面都需要更為輕便、高效、小型化、多功能、高品質(zhì)的激光儀器設(shè)備。目前常見的激光器的波長為紅外和可見光，傳統(tǒng)的激光工具、工藝和技術(shù)存在效率低、操作復(fù)雜、成本高、范圍受限、損耗嚴(yán)重、精確度低等問題。近幾十年來紫外激光器被科學(xué)家們反復(fù)研究突破，是因為其具有相對高的相干性，更加便捷、穩(wěn)定可靠、成本低、可調(diào)諧、小型、效率高、精度高還有實用化等特點。

2. 紫外激光器

紫外激光器主要分為氣體紫外激光器和固體紫外固體激光器。工作介質(zhì)在泵浦源的作用下通過吸收外界的能量達到激發(fā)態(tài)，經(jīng)過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)增益大于損耗，對光進行放大，部分被放大的光反饋繼續(xù)激勵從而在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生振蕩產(chǎn)生激光。氣體介質(zhì)主要是利用脈沖或者電子束放電，通過電子之間的相互碰撞把氣體粒子由低能級激發(fā)到高能級產(chǎn)生受激躍遷從而得到紫外激光。固體介質(zhì)是用非線性倍頻晶體的方式在經(jīng)過一次及以上的頻率轉(zhuǎn)換產(chǎn)生向外輻射的紫外激光。準(zhǔn)分子和全固態(tài)紫外激光器常用于激光加工和處理[1]。紫外激光器的分類如表 1。

2.1. 準(zhǔn)分子激光器

氣體紫外激光器主要有準(zhǔn)分子激光器、氬離子激光器、氮分子激光器、氟分子激光器、氦鎘激光器等。準(zhǔn)分子激光器等通常用于激光加工[2]。準(zhǔn)分子激光器是以準(zhǔn)分子為工作物質(zhì)的氣體激光器，它也是一種脈沖激光器，從 1971 年第一臺準(zhǔn)分子激光器的誕生[3]，就有了巨大的研究意義。準(zhǔn)分子是一種不穩(wěn)定復(fù)合的分子，在一定情況下會分解成原子。重復(fù)頻率和平均功率為評判準(zhǔn)分子激光器的依據(jù)。一定比例的 Ar、Kr、Xe 等的稀有氣體和 F、Cl、Br 等的鹵族元素相混合是紫外氣體激光器的主要工作物質(zhì)，實現(xiàn)泵浦的方法是用電子束或脈沖放電達到。基態(tài)的惰性氣體原子和稀有氣體原子受激發(fā)后，核外電子從而被激發(fā)到更高的軌道使最外層電子層被填充滿，并與其他原子結(jié)合形成準(zhǔn)分子，隨后躍遷回基態(tài)再分解成原來的原子，剩余能量以光子的形式分離出來最后經(jīng)過諧振腔的放大得到紫外激光如圖 1 所示[1]。液態(tài)氙為早期的準(zhǔn)分激光器的工作物質(zhì)?，F(xiàn)在的準(zhǔn)分子激光器還包括 193 nm 的 ArF 激光器，248 nm 的KrF 激光器和 308 nm 的 XeCl 激光等。

2.2. 固態(tài)紫外激光器

全固態(tài)紫外激光器的突出優(yōu)點有便捷體積小、可靠性高和工作穩(wěn)定等。最常用的是 LD 泵浦慣用的Nd:YAG 晶體，再進行倍頻如圖 2 所示[4]。

產(chǎn)生紫外固體激光器的主要步驟是首先激光器內(nèi)的泵浦光源照射到增強介質(zhì)上從而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)[5]，基波紅光在諧振腔內(nèi)形成并且振蕩，再通過一次或多次非線性晶體腔內(nèi)倍頻，在經(jīng)過透射、反射最終從諧振腔輸出所需的紫外激光。通常采用 LD 二極管泵浦和燈泵浦的方法得到紫外固體激光器。全固態(tài)紫外激光器即 LD 泵浦的紫外固體激光器，其光路原理如圖 3 所示[1]。

Nd:YAG (摻釹釔鋁石榴石)和 Nd:YVO4 (摻釹釩酸釔)是兩種比較常見的增強介質(zhì)晶體。常用的增強諧振腔的方法是用波長為 808 nm 的小型半導(dǎo)體激光二極管 LD 泵浦 Nd:YVO4 激光晶體產(chǎn)生 1064 nm 的近紅外光，腔內(nèi)倍頻輸出波長為 532 nm 的綠光，再送入增強諧振腔進行四倍頻，輸出波長為 266nm 的深紫外激光，基頻綠光輸入閾值可低到 215 mW [6]。與 Nd:YAG 比較，Nd:YVO4 激光晶體具有更大的增益截面，是 Nd:YAG 的 4 倍；吸收系數(shù)大，是 Nd:YAG 的 5 倍，有激光閾值低等優(yōu)點。Nd:YAG 晶體的機械強度比較高，光線的透射率高，熒光壽命長，也不需要過為嚴(yán)苛的散熱降溫系統(tǒng)，可以適應(yīng)于廣泛的工作使用需求，可以得到較高質(zhì)量的激光，所以現(xiàn)在國內(nèi)外通常使用紫外固體激光器會選擇 Nd:YAG晶體來做增益介質(zhì)。

3. 紫外激光器的應(yīng)用

紫外激光加工方面有很多優(yōu)點，也是目前科技信息發(fā)展中的首選技術(shù)。首先紫外激光器可以輸出超短波長的激光，可以精準(zhǔn)處理超小細微的材料；其次紫外激光的“冷處理”不會整體破壞材料本身，只是對其表面就行處理；再者基本無熱損傷影響[7]；一些材料對可見光和紅外激光不能有效吸收導(dǎo)致無法加工，紫外最大的優(yōu)勢是基本所有的材料對紫外光吸收較為廣泛[8]。紫外激光器尤其是固體紫外激光器的結(jié)構(gòu)緊湊且體積小、簡單好維護、易大量生產(chǎn)。紫外激光器在加工處理醫(yī)用生物材料、刑事案件取證、集成電路板、半導(dǎo)體工業(yè)、微光元器件、外科手術(shù)[9]、通信和雷達、激光加工割方面應(yīng)用十分廣泛。

3.1. 改變生物材料表面特性

在某些治療中，許多醫(yī)用材料需要與人體組織相容，甚至是修復(fù)，如紫外激光治療眼內(nèi)疾病[10]和兔角膜實驗[11]有時也需要改變生物蛋白質(zhì)特性[12]和生物大分子結(jié)構(gòu)[13]，調(diào)整準(zhǔn)分子紫外激光器最佳脈沖參數(shù)，實驗人員再分別用 100 nm、120 nm、200 nm 的激光對醫(yī)用生物材料表面照射后，從而改善材料表面物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，并不改變材料整體化學(xué)結(jié)構(gòu)，通過培養(yǎng)生物細胞對比實驗，使處理后的有機生物材料與人體組織相容性和親水性有顯著性提高，在醫(yī)用生物應(yīng)用方面有很大的幫助[14]。

3.2. 刑偵領(lǐng)域

在刑偵領(lǐng)域，當(dāng)發(fā)現(xiàn)指紋同 DNA 一樣具有獨一無二的特性以來，指印便可作為刑事案件犯罪嫌疑人的遺留在犯罪現(xiàn)場的重要生物證。曾經(jīng)舊的方法會導(dǎo)致樣品損傷，難以對證物進行收集和存儲?，F(xiàn)在的研究針對于非滲透性客體表面指紋，如膠帶、照片、玻璃等顯現(xiàn)具有突出效果?！白贤獍l(fā)光成像技術(shù)”和“紫外激光反射成像技術(shù)”即波長為 266 nm 的紫外激光照射潛在指印，分別透過 266 nm 和 340 nm 的帶通濾光鏡，來觀察和記錄紫外激光對指印的檢測和采納收集[15]。實驗中的 120 個實驗樣本有百分之七十都可被成功檢測。紫外短波技術(shù)提高了潛在指印的成功率，而且方便快捷容易控制其光學(xué)特性，在法庭科學(xué)領(lǐng)域有廣大的應(yīng)用前景?，F(xiàn)場唾液斑、脫落細胞、血跡、有毛囊的毛發(fā)等常見生物檢材探測都可用紫外檢測。但是通過短波 266 nm 的紫外激光在固定距離通過不同時長照射生物檢材再提取 DNA 進行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)短波 266 nm 的紫外激光對指印、血跡、唾液斑、脫落細胞、有毛囊的毛發(fā) 5 種常見生物物證的 DNA 檢驗結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響，但是針對毛發(fā)包括毛囊、體液唾液和血液斑痕等的生物 DAN 的檢測僅有少部分的影響。短波紫外激光會對部分 DNA 生物檢材產(chǎn)生影響，所以在刑偵調(diào)查取證時要依據(jù)證據(jù)作用來慎重選擇提取方法[16]。

3.3. 紫外激光在集成電路板上的應(yīng)用

在工業(yè)領(lǐng)域中多種電路板的生產(chǎn)制作過程，從最開始的布線到生產(chǎn)成需要高級工藝的微小精密的嵌入式芯片，集成電路板內(nèi)的柔性電路、聚合物和銅的層布式電路都需要鉆微孔和切割[17]，也包括電路板上材料的修復(fù)和檢測，常需要用到等微細加工和處理。電路板加工中激光微加工技術(shù)顯然成為最佳選擇。激光在加工過程中，工作機器不與被加工產(chǎn)品接觸，有效避免機械作用力，加工迅速，靈活性高，并且對工作場合無需特殊要求，通過對激光參數(shù)的精準(zhǔn)設(shè)置和研究設(shè)計，可以達到微米以下量級[18]。電路板上用的比較傳統(tǒng)的鉆孔方式是利用紫外激光器和 CO2激光器用于非金屬打標(biāo)(波長為 10.6 μm 的 CO2激光器用于非金屬材料打標(biāo)；波長 1064 nm 或者 532 nm 一般用于金屬材料打標(biāo)[19])。目前還是主要采用紫外激光加工技術(shù)，可以達到微米級的加工，精確度高，可以制作超細微零器件，可以應(yīng)用于小于 1 μm 光斑 的激光束的微孔加工。但是 CO2 激光器主要打 75~150 mm 的孔，且小孔易錯位，而紫外激光器可以打 25 mm 以下的孔，精度高且不會錯位[20]。例如在用紫外飛秒激光“冷”加工覆銅線路板中利用綜合平 衡法得到最優(yōu)工藝參數(shù)，再用選擇性刻蝕的特性達到高質(zhì)量、高效率線寬 50 μm、線間距 20 μm 的覆銅 板表面微細線路刻蝕加工[21]如圖 4 和圖 5 所示。

3.4. 微光元器件的加工和制備

在科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展的信息化時代，要達到在更小空間內(nèi)搭建更多的實驗系統(tǒng)并實現(xiàn) 更多的功能，就要加快信息技術(shù)的發(fā)展更重要的是要制作加工出更小型化、微型化并且僅對材料表面化 學(xué)鍵進行處理[22]的功能齊全的器件。在軍事雷達通訊[23]、醫(yī)學(xué)治療、航空航天和生物化學(xué)等領(lǐng)域具有 重要的應(yīng)用和研究價值?？梢栽诩{米尺度的微光學(xué)元件上進行更加深入的切割和優(yōu)化并研究和開發(fā)應(yīng)用，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的光學(xué)元器件功能和特性。微光學(xué)元件具有容易批量生產(chǎn)和易于實現(xiàn)陣列化還有簡小輕便靈活 等優(yōu)點，但是它的主要材料是石英玻璃。石英玻璃在應(yīng)用和處理過程中很容易產(chǎn)生裂紋和凹坑，是一種 硬脆性材料，這就使其光學(xué)性能大大減弱。因此，紫外激光的直寫“冷”加工技術(shù)[24]大大提高了微光學(xué)器 件的效率，迅速完成高精度微細結(jié)構(gòu)的微光元器件加工且不傷材料，可以靈活完成大小批量的不同需求 的加工。國外科研機構(gòu)對紫外紫外加工硅片的研究比較早[25]，國內(nèi)起步較晚隨后才對硅片切割技術(shù)及切面進行研究[26]。十幾年前，張菲等人利用自己研發(fā)的紫外全固態(tài)激光對微加工系統(tǒng)進行了研究，對相同 材質(zhì)的三種(0.18 mm、0.38 mm、0.6 mm)的硅片進行優(yōu)化切割，最小孔徑 45 μm，加工精度 20 μm，結(jié)果 表明材料沒有出現(xiàn)裂痕，激光的熱影響較小，飛濺物較少[27]如圖 6 所示。

3.5. 紫外激光在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用

近幾年來，紫外激光對半導(dǎo)體材料的微加工受到了越來越多的關(guān)注。成千上萬的密集電路元件在集 成電路中非常常見，所以就需要一些高精密的處理和加工方法[28]，還有一些高精儀器和器件的硅和藍寶 石等半導(dǎo)體材料等半導(dǎo)體薄膜的精密微加工靠紫外激光且研究薄膜的光譜特性[29]，同時紫外激光還可以 加大硅材料對光能的利用率，也可以使得硅表面的微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，有利于太陽能電池板的研發(fā)，如二 維微光柵等。

2018 年李奇思等人使用 355 nm 全固態(tài)紫外激光器對硼硅玻璃表面和雕刻深度、底面光滑度、通道 垂直情況進行研究，實驗分析優(yōu)化加工參數(shù)，得到了材料表面損傷小、裂紋少、雕刻深度大、切面垂直 且平整的硼硅玻璃微通道[30]如圖 7 所示。

4. 結(jié)束語

通過這幾十年的發(fā)展和研究，紫外激光器的技術(shù)和應(yīng)用越來越廣泛和成熟，它最有特點的精細的“冷”加工技術(shù)在不改變物體物理性質(zhì)的同時對表面進行微加工和處理，廣泛應(yīng)用于通訊、光學(xué)、軍事、刑偵、醫(yī)療等各個行業(yè)和領(lǐng)域。例如，5G 時代，催生了 FPC 加工市場需求。隨著 5G 產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，以及各大電子產(chǎn)品制造商對柔性 OLED 顯示屏的追逐，催生了市場對 FPC 柔性線路板的需求迅猛增長，隨之而來對紫外激光器的需求也將得到快速增長。這個發(fā)展趨勢將有望快速促進紫外技術(shù)自身的發(fā)展，以在功率和脈寬方面實現(xiàn)更大的突破，同時拓展出更多新的應(yīng)用領(lǐng)域。紫外激光機的應(yīng)用，讓 FPC 等材料的精密冷加工成為可能，而 FPC 的逐步增加，推動了 5G 部署，5G 的低延遲特性，給諸如云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛、VR 等新一波的技術(shù)發(fā)展提供了無限生機。當(dāng)然這是個相輔相成的概念，新技術(shù)新應(yīng)用也最終會拉動紫外激光的進一步發(fā)展。

隨著越來越多的新型的倍頻晶體和增益介質(zhì)的出現(xiàn)，越短波長功率越高的紫外激光器將在未來應(yīng)用于更多的行業(yè)，促進各行各業(yè)的發(fā)展，紫外激光在加工領(lǐng)域更加智能、高效精準(zhǔn)、高重復(fù)率、高穩(wěn)定性是未來發(fā)展的趨勢。