Учебное пособие: Эксимерные лазеры

Рисунок 4.

Не маловажен такой параметр лазерного излучения как отклонение пучка. График, приведенный на рисунке 5, построен по экспериментальным данным.

Рисунок 5.

Основные параметры описанного лазера приведены в таблице 3.

Таблица 3

Активная среда	ArF
Длина волны	193 нм
Резонатор	плоско-параллельный
Максимальная энергия импульса	650 мДж
Средняя мощность	45 Вт
Максимальная частота повторений	200 Гц
Стабильность энергии	σ < 2%
Размер пучка	25×11 мм2
Расходимость	3×1 мрад2
Стабильность направленности пучка	< 100 мрад
Длительность импульса	13 нс

Габариты лазерного излучателя: 1966×800×474 мм; масса: 300 кг.

Габариты блока накачки: 230×240×530 мм; масса: 23 кг.

Габариты энергоблока: 460×185×750 мм; масса: 50 кг.

2.2 Лазер eX5 ФИРМЫ gam lasers, inc (сша)

EX5 - компактный эксимерный лазер с воздушным охлаждением, коронной предионизацией. Блоки лазерного излучателя и накачки объединены в одном корпусе, что способствует снижению габаритов системы.

Рисунок.

Существует две версии этого лазера: EX5 и EX5 Type II. Их основные параметры приведены в таблицах 3 и 3.

Таблица 3 (EX5)

Активная среда	F2	ArF	KrF	XeCl	XeF
Длина волны	157 нм	193 нм	248 нм	308 нм	351 нм
Максимальная энергия импульса	2 мДж	12 мДж	20 мДж	8 мДж	6 мДж
Пиковая мощность	280 кВт	1200 кВт	2000 кВт	800 кВт	600 кВт
Средняя мощность (250 Гц)	0,4 Вт	2,4 Вт	4 Вт	1,4 Вт	1,3 Вт
Средняя мощность (500 Гц)	0,65 Вт	4 Вт	8 Вт	2,5 Вт	2,4 Вт
Максимальная частота повторений	250/500 Гц
Стабильность энергии	σ < 3%
Размер пучка	6×3 мм2
Расходимость	0,5×1 мрад2
Длительность импульса	10 нс
Охлаждение	Воздушное охлаждение
Эксплуатационный срок кюветы	2 млрд. импульсов

Таблица 3 (EX5 Type II)

Активная среда	ArF		KrF		XeCl		XeF
Длина волны	193 нм		248 нм		308 нм		351 нм
Максимальная энергия импульса	5 мДж		8 мДж		4 мДж		2 мДж
Средняя мощность	3 Вт		5 Вт		3 Вт		1 Вт
Максимальная частота повторений	1000 Гц
Стабильность энергии	σ < 2%
Размер пучка	6×3 мм2
Расходимость	0,7×1,4 мрад2
Длительность импульса	9 нс
Охлаждение	Принудительное воздушное охлаждение
Эксплуатационный срок оптики	500 млн. импульсов	1 млрд. импульсов		150 млн. импульсов		150 млн. импульсов

Габариты: 470×250×250 мм; масса: 15 кг.

Оптические компоненты лазера изготовлены из материалов, позволяющих работать на различных длинах волн (157 - 351 нм) без потери качества получаемого излучения. Для получения генерации на другой длине волны нужно просто заменить рабочий газ в камере. Для снижения уровня шумов в лазере предусмотрена встроенная клетка Фарадея. Вторая версия позволяет получить более высокую выходную мощность при увеличении на 50% времени жизни рабочего газа.

Рисунок.

Рисунок.

Излучение лазера обладает высокой стабильностью энергии от импульса к импульсу (0,77% для KrF).

Рисунок.

Управление лазером осуществляется с помощью программного обеспечения, разработанного для операционных систем Windows.

Данный лазер может быть использован:

как источник ионизации;

в компактных оптикоэлектромеханических системах;

для микрообработки;

в лазерной рефрактивной хирургии.

3. Применения

3.1 Фотолизное возбуждение лазерных сред

Фотолизное возбуждение лазерной среды представляет собой случай, когда используется эксимерное излучение в некогерентном виде. В этом случае источник фотонов, возбуждаемый каким-либо способом (например, накачка электронным пучком, разрядом или их комбинацией) посылает излучение через окно в поглощающую активную среду.

Фотолизное возбуждение используется по трем основным причинам. Во-первых, такое возбуждение происходит без участия электронов. С помощью эксимерных систем может быть осуществлена как оптическая накачка (твердотельные и жидкостные лазеры), так и лазерная накачка (лазеры на красителях и мощных твердотельных систем).

Во-вторых, оптическая накачка может иметь преимущества в случае накопительных лазеров. Импульс излучения может быть сжат со времени накачки до времени высвечивания. Один из самых эффективных процессов получения возбужденных частиц - фотодиссоциация.

В-третьих, оптическая накачка эксимерными лазерами может быть отрегулирована по частоте. Это существенно для резонансно-накачиваемых твердотельных систем.

С помощью таких методов как оптическая накачка другой лазерной среды, вынужденное комбинационное рассеяние и параметрическое преобразование можно значительно расширить возможности перестройки частоты излучения эксимерных лазеров (например, на галогенидах инертных газов). Для оптической накачки обычно используют лазеры на красителях, поскольку они могут непрерывно перестраиваться в широком диапазоне длин волн. Стоит отметить, что при этом краситель подвергается значительно меньшему разрушению, чем при накачке импульсной лампой.

Вынужденное комбинационное рассеяние применялось для получения сдвига волны в ArF-, KrF - и XeF-лазерах. Использование околорезонансного комбинационного рассеяния в парах бария позволило перестроить длину волны XeF-лазера с 351 нм на 585 нм, причем КПД преобразования составил 80%. Благодаря тому, что исходное лазерное излучение не находится в резонансе с рассеивающей средой, усиление на смещенной вследствие комбинационного рассеяния длине волны почти такое же, как и усиление на исходной длине волны, в результате чего наблюдаются последовательно сдвинутые линии излучения. Таким образом, любая комбинация лазера и рассеивающей среды позволяет получить несколько линий излучения.

3.2 Генерация коротковолнового излучения

Рентгеновские когерентные источники нашли применение в диагностике очень плотной плазмы, микропроцессах, биохимических и генетических исследованиях. Также источники этого типа применяются в рентгеновской голографии, производстве компонент для микроэлектроники.

3.2.1 Фотолитография

Фотолитография - метод нанесения рисунка на тонкую пленку материала. Минимальный размер детали рисунка определяется дифракционным пределом.

В процессе фотолитографии на толстую подложку (часто кремниевую) наносится тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится фоторезист (материал, изменяющий свои фотохимические свойства при облучении светом). Далее производится экспонирование через фотошаблон (пластину, прозрачную для видимого света, с рисунком, выполненным непрозрачным красителем). Облученные участки фоторезиста изменяют свою растворимость, и их можно удалить с помощью травления. Освобожденные от фоторезиста участки тоже удаляются. В завершении производится удаление остатков фоторезиста.

Рисунок 7. Микроструктура, полученная фотолитографическим методом

В случае получения недостаточно малых размеров создаваемых лазером пятен возможно применение технологии иммерсионной фотолитографии. Основным отличием технологии является тот факт, что между проекционной системой и кремниевой пластиной помещается слой жидкости с коэффициентом преломления большим, нежели у газовой смеси. Зачастую для этих целей используется обыкновенная очищенная вода.

3.2.2 Лазерная хирургия. Пример пересчета параметров лазерного излучения

Лазерная коррекция зрения на сегодняшний день является самым прогрессивным направлением современной офтальмологии. С помощью новейших методик возможно эффективное лечение близорукости, дальнозоркости и астигматизма, при этом результаты лечения остаются неизменными в течение всей жизни.

В 80-х гг. ХХ века появилась новая технология - эксимер-лазерная коррекция зрения. Лазерный луч, управляемый специальным компьютером по заданной программе перепрофилирования роговицы, устраняет дефекты оптической линзы глаза и выравнивает ее поверхность таким образом, чтобы лучи света, проецируемые хрусталиком, четко фокусировались на сетчатке.

Сегодня широко применяются два метода лазерной коррекции зрения: PRK (ФРК - фоторефрактивная кератэктомия) и LASIK (лазерный кератомилез).

Метод ФРК является первой попыткой использовать эксимерный лазер для медицинских целей. Суть данного метода восстановления зрения заключается в устранении неровностей роговицы путем выпаривания ее тканей. Этот метод является бесконтактным. Однако у метода ФРК есть некоторые недостатки: микроэрозия, возникающая в ходе операции, заживает в течение двух дней. При этом пациент испытывает болевые ощущения.

Метод LASIK - это сочетание микрохирургического воздействия и эксимер-лазерной технологии. Он позволяет сохранить анатомию слоев роговицы, что значительно снижает неприятные ощущения у пациента во время реабилитации после операции. В ходе лазерной коррекции зрения методом LASIK используется автоматический микрохирургический прибор (микрокератом), который срезает верхний слой роговицы, открывая лазерному лучу доступ к более глубоким слоям глазной линзы. Проводится выравнивание роговицы - микро-испарение ткани с внутренних слоёв роговицы на заданное количество микрон для придания нужной кривизны в центральной зоне без повышения температуры ткани, после чего отделенный слой возвращается на место и фиксируется за счет коллагена, вещества роговицы.

Обеспечение перестройки длины волны лазерного излучения. Сужение полосы пропускания резонатора на основной длине волны.

Благодаря короткой длине волны излучения, высокой мощности импульса, высокой стабильности мощности и направленности пучка лазеры серии LPX немецкой фирмы Lambda Physik позволяют проводить очень точную обработку материалов (с разрешением до 2 мкм).

При создании установок для микролитографии с использованием линзовых оптических систем объектива и осветителя приходится использовать эксимерный лазер с очень высокой монохроматичностью. Причиной этого являются трудности, возникающие при ахроматизации кварцевой оптики. Отклонение длины волны лазерного излучения (если основная длина волны  нм) составляет около  нм!

Предлагается дополнить резонатор существующего эксимерного лазера диспергирующим элементом с целью обеспечения перестройки длины волны и сужения диапазона .

Предлагается использовать схему дисперсионного резонатора с двумя концевыми зеркалами и отражательной дифракционной решеткой между ними (рис.5).

Рисунок 5.

Дисперсия такого резонатора становится максимальной при скользящем угле падения света на решетку . В этом случае избирательность резонатора значительно выше, чем с автоколлимационной решеткой (угол падения равен углу дифракции).

Отсутствие неселективного (нулевой порядок) обратного отражения в активную среду резко снижает интенсивность сверхлюминесцентного фона в выходном узкополосном излучении.

Принципиальный недостаток резонаторов "со скользящим падением" - низкая дифракционная эффективность. Поэтому они используются в основном в лазерах с высоким усилением (в том числе эксимерных).

Для такого резонатора полоса пропускания по уровню 0.5 составляет

, (1)

где  - радиус пучка до дифракционной решетки (в активной среде);

 - угол дифракции;

 - коэффициент телескопичности.

Длину волны перестройки резонатора такого типа наиболее удобно менять вращением ближайшего к решетке концевого зеркала. При скользящем падении излучения на решетку перестройка производится по закону

 (2)

и коэффициент перестройки

, (3)

 - период решетки, мм.

Основное уравнение дифракционной решетки выглядит следующим образом

. (4)

При скользящем падении и угле дифракции близком к нулю период решетки примерно равен длине волны падающего излучения.

Итак, используем резонатор "со скользящим падением" (), где дифракционная решетка работает во втором порядке (65 - 70%), а нулевой порядок используется для вывода излучения из резонатора.

Рассчитываем решетку на основную длину волны нм, работающую во втором порядке, с периодом  нм.

Из основного уравнения дифракционной решетки видно, что  и, следовательно, угол дифракции . При таком соотношении углов  и  телескопичность .

Оценим полосу пропускания резонатора с такой решеткой:

 пм

и  пм.

Отметим, что для дальнейшего сужения полосы возможно применение эталона Фабри-Перо, полоса пропускания которого , где  - резкость идеального эталона Фабри-Перо,  - коэффициент отражения зеркал эталона. Но любое дополнительное средство сужения полосы пропускания будет приводить к снижению КПД системы. Итак, можно сделать выводы.

Литература

1.  Звелто О. "Принципы лазеров". М.: Мир, 1990г.

2.  п. р. Роудза Ч. "Эксимерные лазеры". М.: Мир, 1981г.

3.  Ed. Dr. D. Basting “Excimer Laser Technology: Laser Sources, Optics, Systems and Applications"

4.  Баранов В.Ю., Борисов В.М., Степанов Ю.Ю. "Электроразрядные эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов". М.: Энергоатомиздат, 1988г.

5.  Рябов С.Г. "Приборы квантовой электроники".

6.  Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин В.Н. "Оптико-электронные квантовые приборы". М:. Радио и связь, 1982г.

7.  Официальный сайт фирмы Lambda Physik: www.lambdaphysik.com

8.  Ralph F. Delmdahl “Pulsed Excimer Lasers For Thin Film Applications”, Lambda Physik AG

9.  Официальный сайт фирмы Gam Lasers www.gamlasers.com

10.  Соскин М.С. "Перестраиваемые лазеры"