Компактные ультрафиолетовые лазеры находят все большее применение в аналитических измерениях и обработке материалов, соответственно, по обе стороны от длины волны 300 нм.

 

ХЭНК ХОГАН, СОСТАВЛЯЮЩИЙ РЕДАКТОР

 

Для компактных УФ-лазеров достижения в области технологий и приложений могут буквально сделать небо пределом. Например, когда в феврале марсоход NASA Perseverance приземлился на Марсе, он нес лазер глубокого ультрафиолета от Photon Systems в составе своего сканирующего оборудования. Лазер на парах металлов позволяет картировать флуоресцентное излучение и комбинационное рассеяние органических и минеральных веществ, чтобы помочь марсоходу в поисках следов жизни.

Высокоскоростное сверление и резка электроники с использованием гибридного волоконного УФ-лазера мощностью 80 Вт. Предоставлено MKS Instruments.

 

Высокоскоростное сверление и резка электроники с использованием гибридного волоконного УФ-лазера мощностью 80 Вт. Предоставлено MKS Instruments.

 

Лазеры Photon Systems используют гелий-серебро или неоновую медь в качестве среды генерации для излучения на 224 и 248 нм соответственно. Последняя технология использовалась в миссии на Марс. Его излучение узкое и стабильное, но из-за ограничений качества луча минимальный размер сфокусированного пятна составляет всего ~3 мкм. При пиковой выходной мощности 100 мВт эти квазинепрерывные лазеры с импульсами длительностью 50 мкс не обладают мощностью, необходимой для обработки материалов, но они подходят для измерительных приложений.

 

Джеффри Рэндольф, директор по продажам и маркетингу Photon Systems, сказал, что лазер компании дал важное преимущество для миссии на Марс: свет, который возбуждает рамановское излучение в материале, также вызывает флуоресценцию, которая обычно может заглушить слабый рамановский сигнал. Но ничто не флуоресцирует в зоне рамановского излучения чуть выше длины волны лазера 248 нм. «Парадоксально, но несмотря на то, что это лазер с очень короткой длиной волны, его рамановский сигнал не содержит флуоресценции», — сказал Рэндольф.

 

Марсоход NASA Perseverance приземлился на Марсе в феврале с набором инструментов SHERLOC (сканирование обитаемых сред с помощью комбинационного рассеяния и люминесценции для органических и химических веществ), установленным на его удаленной руке. Этот прибор частично основан на 248-нм УФ-лазере, который играет ключевую роль в поиске признаков прошлой или настоящей жизни. Предоставлено НАСА.

 

Марсоход NASA Perseverance приземлился на Марсе в феврале с набором инструментов SHERLOC (сканирование обитаемых сред с помощью комбинационного рассеяния и люминесценции для органических и химических веществ), установленным на его удаленной руке. Этот прибор частично основан на 248-нм УФ-лазере, который играет ключевую роль в поиске признаков прошлой или настоящей жизни. Предоставлено НАСА.

 

Из этих двух методов флуоресценция является гораздо более чувствительным аналитическим инструментом, но рамановская спектроскопия позволяет легче отличить одно вещество от другого. Объединение двух методов в одном маленьком портативном приборе помогло минимизировать вес вездехода. Но он также может быть полезен в производстве, экологическом анализе и коммунальном хозяйстве.

 

Коммунальные службы, в частности, сказал Рэндольф, рассматривают возможность прямого повторного использования очищенных сточных вод из-за растущего спроса и надвигающейся нехватки поставок. Такое быстрое повторное использование сточных вод требует соответствующего быстрого метода для определения наличия каких-либо загрязняющих веществ или патогенов. УФ-лазеры могут предоставить средства для этого.

 

«Глубокая УФ-флуоресценция и рамановский спектр потенциально позволяют анализировать и различать патологические вирусы и бактерии», — сказал он.

 

Согласно исследованию Market Reports World, проведенному в августе 2021 года, УФ-лазеры от Photon Systems и других поставщиков составляют рынок, совокупный годовой темп роста которого, по прогнозам, составит 8,31% в период с 2021 по 2027 год.

 

Лазер с длиной волны 266 нм в лабораторной установке рамановской спектроскопии. Компактные лазеры глубокого УФ-излучения могут создать более портативные системы с меньшим энергопотреблением для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ. Предоставлено UVC Photonics.

 

Лазер с длиной волны 266 нм в лабораторной установке рамановской спектроскопии. Компактные лазеры глубокого УФ-излучения могут создать более портативные системы с меньшим энергопотреблением для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ. Предоставлено UVC Photonics.

 

Приложения для этих источников включают обработку и измерение материалов с грубой границей между приложениями и технологиями на ~ 300 нм. Ниже этой точки, где мощность лазера обычно ниже, доминируют измерительные приложения. Выше этой точки лазеры предлагают более высокую мощность и могут обеспечивать маркировку, сверление, резку и другие все более важные возможности микрообработки.

 

«По мере того, как бытовая электроника переходит на устройства все меньшего и меньшего размера, по мере того, как все больше вещей помещается в ваш телефон, ультрафиолетовые лазеры становятся все более важными. То же самое верно и в других областях, таких как автомобилестроение и солнечная энергетика», — сказал Герман Чуй, старший директор по маркетингу MKS Instruments.

 

Архитектуры и приложения

 

Подразделение MKS Light and Motion производит линейку импульсных, непрерывных (CW) и квазинепрерывных УФ-лазеров. Последняя категория включает лазеры, которые излучают короткие импульсы с такой высокой частотой повторения, что для практических целей они кажутся непрерывными, потому что постоянные времени для приложения больше, чем время между импульсами.

 

УФ-лазер MKS Instruments использует излучение с длиной волны от 349 до 355 нм. Лазеры компании обеспечивают одномодовую среднюю мощность до 80 Вт.

 

Применительно к микрообработке на основе УФ-излучения эта технология дает преимущества при сверлении небольших близко расположенных отверстий или обработке других материалов с жесткими характеристиками. Например, он допускает минимальный размер сфокусированного пятна, который уменьшается с увеличением длины волны. Кроме того, большинство материалов сильно поглощают УФ-излучение, что означает, что зона термического воздействия луча имеет тенденцию быть меньше и тоньше.

 

УФ-лазеры могут быть лучшим способом микрообработки все более мелких отверстий и элементов в печатных платах, поскольку встроенные компоненты по-прежнему более плотно упакованы. Подход на основе УФ-лазера также может работать лучше при обработке новых материалов с улучшенными электрическими характеристиками.

 

Однако Чуй сказал, что большинство УФ-лазеров основаны на основной длине волны инфракрасных источников. Во многих системах MKS Instruments используется диод ближнего ИК-диапазона для накачки кристалла, легированного неодимом или иттербием, или волоконной усиливающей среды для генерации света с длиной волны 1000 нм. Затем нелинейные оптические кристаллы преобразуют эту длину волны в ее третью гармонику, в результате чего выходная длина волны составляет от 349 до 355 нм. Поскольку эти кристаллы несут потери преобразования, результирующий УФ-луч будет иметь меньшую выходную мощность, чем его инфракрасный источник.

 

Повышение эффективности преобразования может улучшить выходную мощность УФ-лазеров, и компания MKS работает над достижением этой цели. Проблема заключается в том, что обычно существует баланс между повышением эффективности лазерного преобразования и сохранением срока службы кристалла.

 

Алекс Леймон, президент DPSS Lasers, также понимает эту проблему. Компания производит твердотельные лазеры с диодной накачкой, в которых используется ванадат (тетраоксид ванадия-иттрия, или YVO4) в качестве усиливающей среды и кристаллы трибората лития для утроения частоты для создания импульсного выходного сигнала третьей гармоники с длиной волны 355 нм. DPSS Lasers не производит УФ-системы, работающие на длине волны ниже 300 нм, поскольку это сократит срок службы изделия. По словам Леймона, кристаллы бета-бората бария, необходимые для четырехкратного увеличения частоты до 266 нм, не могут прожить достаточно долго при воздействии потока таких высокоэнергетических фотонов.

 

Сапфир, нанесенный УФ-лазером в процессе производства синих светодиодов. Квадратные площадки имеют размер 300 мкм с каждой стороны, а ширина метки составляет 10 мкм. Предоставлено DPSS Lasers.

 

Сапфир, нанесенный УФ-лазером в процессе производства синих светодиодов. Квадратные площадки имеют размер 300 мкм с каждой стороны, а ширина метки составляет 10 мкм. Предоставлено DPSS Lasers.

 

«УФ-лазеры дороже, чем другие лазерные системы», — сказал он. «Нет никакого способа предотвратить это». Но он сказал, что стоимость идет с преимуществами в ключевых приложениях. Лазерная маркировка, например, является самым крупным применением УФ-систем DPSS с точки зрения объема и доходов. Отверждение пластика, микрообработка и подготовка поверхности также представляют собой крупные рынки.

 

Леймон предсказал, что более длительный срок службы, меньшие размеры и снижение цен будут способствовать распространению УФ-лазеров. Он сказал, однако, что эти источники, скорее всего, будут контролировать лишь небольшой процент рынка лазерных систем.

 

Поддержание чистоты кристаллов

 

Фотоны с более короткими длинами волн более энергичны, поэтому они сильнее взаимодействуют с загрязнениями на любой поверхности вдоль оптического пути. Загрязнения на оптике, такие как органические остатки, оставшиеся после процесса очистки, будут поглощать УФ-фотоны, претерпевать химические изменения, а затем еще сильнее взаимодействовать с высокоэнергетическими УФ-фотонами. Это может привести к неконтролируемому процессу, который настолько ухудшит оптику, что сделает ее и всю систему непригодной для использования. Таким образом, необходимы строгие протоколы и схемы для предотвращения фотозагрязнения УФ-оптики, сказал Чуи из MKS Instruments.

 

Скотт Бухтер, генеральный директор UVC Photonics, согласился с этим, но добавил, что важны как энергия, так и количество фотонов. Лазеры его компании обеспечивают непрерывную мощность всего 10 мВт. Другие лазеры, например, лазеры с длиной волны более 300 нм для микрообработки, представляют собой импульсные системы, которые могут излучать пиковую мощность в десятки киловатт. По его словам, это приводит к сильному двухфотонному поглощению, вызывающему повреждения.

 

Но производство систем, излучающих с длиной волны ниже 300 нм, также требует контроля загрязнения. «Все должно быть чисто, — сказал Бухтер. «И вы должны быть осторожны, как вы чистите».

 

В январе компания UVC Photonics представила непрерывный лазер с длиной волны 261 нм, в котором используется усиливающая среда, легированная празеодимом, с накачкой синим диодным лазером. УФ-выход возникает из-за генерации второй гармоники излучения празеодима с длиной волны 522 нм.

 

При производстве своей системы UVC Photonics использует для очистки струю замороженного CO2 (сухого льда). Затем CO2 испаряется, не оставляя после себя ничего. Затем компания герметизирует системы и заполняет их инертным газом. Меньшая пиковая мощность системы и строго контролируемый производственный процесс помогают свести к минимуму влияние загрязнения на работу и срок службы продукта.

 

Потенциальные области применения 261-нм лазера UVC включают дистанционные системы рамановской спектроскопии для обнаружения взрывчатых веществ. Текущие версии этих систем занимают тяжелый рюкзак, но использование УФ-лазера позволит создать систему, достаточно маленькую, чтобы поместиться в небольшом устройстве с батарейным питанием, сказал Бухтер.

 

По словам Бухтера, другие возможные области применения связаны с дополнительными приложениями рамановской спектроскопии, где УФ-лазеры, как правило, обеспечивают значительно более высокую чувствительность по сравнению с обычно используемыми ИК-лазерами. Он сказал, что непрерывный УФ-лазер также может оказаться полезным в микроскопии, где часто требуется постоянная подача маломощного источника света.

 

Поскольку список текущих и потенциальных применений УФ-лазеров растет, спрос на лазеры будет способствовать дальнейшему прогрессу с точки зрения их стоимости, размера и других параметров.

Сегодня мы порекомендуем вам бренд RFH  UV Laser  из Китая.

УФ-лазер мощностью 20 Вт для резки керамики

Ультрастабильный наносекундный УФ-лазер Expert III 355 10W12W15W