The technology of lasers for the generation of ultraviolet light involves a number of challenges:

 

For short wavelengths, strong spontaneous emission leads to a high threshold pump power (except when the gain bandwidth is narrow).

For wavelengths below ≈ 200 nm, the choice of transparent and UV-resistant optical materials is fairly limited (see the article on ultraviolet light).

Even weak surface roughness or bubble content of optical components can lead to strong wavefront distortions and scattering losses.

Nevertheless, there are various kinds of lasers which can directly generate ultraviolet light:

 

There are laser diodes, normally based on gallium nitride (GaN), emitting in the near-ultraviolet region. The available power levels, however, are limited.

Some solid-state bulk lasers, e.g. based on cerium-doped crystals such as Ce3+:LiCAF or Ce3+:LiLuF4, can emit ultraviolet light. Cerium lasers are in most cases pumped with nanosecond pulses from a frequency-quadrupled Q-switched laser, and thus emit nanosecond pulses themselves. With Q-switched microchip lasers, even sub-nanosecond pulse durations are possible. Mode-locked operation has also been demonstrated [14].

Few fiber lasers can generate ultraviolet light [10]. For example, some neodymium-doped fluoride fibers can be used for lasers emitting around 380 nm, but only at low power levels.

Although most dye lasers emit visible light, some laser dyes are suitable for ultraviolet emission.

Excimer lasers are very powerful UV sources, also emitting nanosecond pulses, but with average output powers between a few watts and hundreds of watts. Typical wavelengths are between 157 nm (F2) and 351 nm (XeF).

Argon ion lasers can continuously emit at wavelengths of 334 and 351 nm, even though with lower powers than on the usual 514-nm line. Some other ultraviolet lines are accessible with krypton ion lasers.

There are also ion lasers emitting in the extreme ultraviolet spectral region. These can be based on, e.g., argon, but unlike in ordinary argon ion lasers one operates with Ar8+ ions, generated in a much hotter plasma. The emission then occurs at 46.9 nm. Such lasers can be pumped either with a capillary discharge or with an intense laser pulse.

Nitrogen lasers are molecular gas lasers emitting in the ultraviolet. The strongest emission line is at 337.1 nm.

Free electron lasers can emit ultraviolet light of essentially any wavelength, and with high average powers. However, they are very expensive and bulky sources, and are therefore not very widely used.

Apart from real ultraviolet lasers, there are ultraviolet laser sources based on a laser with a longer wavelength (in the visible or near-infrared spectral region) and one or several nonlinear crystals for nonlinear frequency conversion. Some examples:

 

The wavelength of 355 nm can be generated by frequency tripling the output of a 1064-nm Nd:YAG or Nd:YVO4 laser.

266-nm light is obtained with two subsequent frequency doublers, which in effect quadruple the laser frequency.

213-nm light corresponds to the 5th harmonic of 1064 nm, obtained by frequency tripling or quadrupling plus sum frequency generation. Overall, that conversion may not be very efficient, but relatively low output powers are sufficient for some applications.

Diode lasers can be equipped with nonlinear frequency conversion stages to produce UV light. For example, one may use a continuous-wave near-infrared laser and apply resonant frequency doubling twice, arriving at wavelengths around 300 nm. A main attraction of this approach is that a wide range of wavelengths is accessible, with no limitations to certain laser lines.

Ultraviolet lasers need to be made with special ultraviolet optics, having a high optical quality and (particularly for pulsed lasers) a high resistance to UV light. In some cases, the lifetime of a UV laser is limited by the lifetime of the used optical elements such as laser mirrors.

 

For the extreme ultraviolet region, there are sources based on high harmonic generation. Such sources can reach wavelengths down to a few nanometers while still having a table-top format. The average output powers, however, are fairly low.

 

Fiber Coupling

The delivery of ultraviolet light in optical fibers is possible even at rather short wavelengths, but involves more serious limitations, comparing with sources for the visible or infrared spectral region. For example, silica fibers may exhibit substantial degradation (called solarization) when exposed to short-wavelength light, but that tendency depends strongly on the chemical composition of the fused silica. There are also attempts to use hollow-core fibers for UV transmission; the basic idea is to have most of the UV light in the air core, with only little overlap with the silica material which provides the guiding. That principle can be utilized even in wavelength regions where the absorption of fused silica is substantial.

 

Applications

Ultraviolet lasers find various applications:

Импульсные мощные ультрафиолетовые лазеры могут использоваться для эффективной резки и сверления небольших отверстий в различных материалах, в том числе в материалах, прозрачных для видимого света. Они занимают значительную долю рынка в области лазерной микрообработки, несмотря на более высокую стоимость по сравнению с инфракрасными лазерными источниками.

Высокоэнергетические УФ-импульсы используются в методе спектроскопии лазерного пробоя.

При гораздо более низкой энергии импульса в точно сфокусированном луче можно, например, проводить микродиссекцию биологических материалов под микроскопом или проводить фотолюминесцентный анализ (измерение времени жизни флуоресценции).

Непрерывные УФ-источники необходимы для микролитографии и для контроля пластин, например, в контексте производства полупроводниковых микросхем. Еще одним приложением является УФ-спектроскопия комбинационного рассеяния.

Для изготовления волоконных брэгговских решеток используются как непрерывные, так и импульсные УФ-лазеры.

Некоторые методы глазной хирургии, в частности рефракционная лазерная хирургия роговицы глаза в форме LASIK, требуют УФ (иногда даже глубокого УФ) лазерных источников.

Ультрафиолетовые лазерные источники связаны с некоторыми особыми опасностями, в основном связанными с риском повреждения глаз и возникновения рака кожи. В статье о лазерной безопасности приводятся некоторые подробности.

 

Пожизненные проблемы

По сравнению с инфракрасными и видимыми лазерными источниками, ультрафиолетовые лазерные источники предположительно имеют больше проблем с ограниченным сроком службы устройства. В основном это связано с тем, что различные оптические материалы (например, лазерные кристаллы, нелинейные кристаллы и оптические элементы) демонстрируют эффекты деградации, вызванные поглощением ультрафиолетового света. Еще одна проблема, с которой иногда приходится сталкиваться, заключается в том, что углеводороды, образующиеся, например, в результате выделения смазочных материалов из креплений зеркал, разлагаются под действием ультрафиолетового излучения, что может привести к отложению черной сажи на оптических элементах. Такие вопросы необходимо тщательно рассматривать при разработке продукта, чтобы реализовать основной потенциал длительного срока службы конкретного типа лазера.