紫外激光器及其在微加工中的应用

摘要：

紫外激光具有波长短、加工精度高、冷加工等特点，在微制造中具有独特的优势，可有效提高制造质量。近年来，随着现代电子产业的快速发展，紫外激光的应用和发展也受到了广泛的关注。紫外激光在微加工过程中对材料尺寸和形状要求小，加工过程灵活可变，热影响区小，可实现精密复杂结构的加工。本文介绍了紫外激光的发展过程，并简要总结了两种紫外激光：准分子激光和全固态激光的工作原理和技术特点。重点介绍了紫外激光在半导体、光学元件和聚合物领域的技术发展和应用现状，并进一步预测和展望了未来的研究方向。

1 引言

随着现代电子工业的快速发展，工业需求转变为尺寸小、重量轻、功能多样化，需要实现尺寸小、精度高、质量高的高质量制造。传统的制造 方法存在工艺复杂、成本高、加工形状、尺寸、材料 有限等问题，容易导致加工精度低、效率低、副产品 污染严重、加工工具磨损严重、成品率低等问题。与传统的加工方法相比，激光微加工具有相关性高、热影响小、加工效率高、精度和重复率高、材料选择性低、加工方法灵活多样、成本低等优点。因此，它得到了 的实际应用和快速发展。紫外激光波长短，单光子能量 高，可直接打断物质原子/分子之间连接的化学键加工 材料，导致被照射区材料直接形成气体粒子或粒子 ，发生光化学剥离过程，对周围材料没有明显影响，几乎没有热影响区域，从而获得高尺寸精度和边缘质量。

紫外激光器起源于上世纪六十年代[1]。世界上第 一台紫外激光器来自苏联，Basov等[2]使用 Xe2第一次获得 波长172nm 准分子激光。随后出现 XeF、 KrF、ArF 等准分子激光器[3-5]。由于准分子激光器需要 继续使用腐蚀性卤素气体，因此在实际使用中受到 的限制，使人们开始关注固体激光器的研发。1989年，浙江大学尤晨华教授[6]使用非线性晶体 BBO 制得216nm深紫外激光。2000年，日本 Koji 等 人[7]使用非线性晶体CLBO输出 20 W、266 nm脉冲紫 外激光输出取得突破。随着光学元件加工 技术的日益成熟，紫外激光的谱线不再局限于 355 nm、266 nm 和 213 nm。2006 年，Johansson 等人[8]KTP 晶体(PPKTP)和 BBO 晶体对调 Q 946 nm 激光四倍频处理，制得 20 mW 的 236 nm紫外激光输出。2008年，Kimmel 等人[9]开发新的 型调Q Nd:YAG脉冲激光器的输出波长为 237 nm， 输出脉宽为 1.9 ns，平均功率为 7.6 mW。2014 年，Deyra 等[10]Q Nd:YAG 脉冲激光器进一步优化，获得 600 mW的 237 nm当时是 237 nm 紫外波段获得的较高平均功率。

目前，光谱物理、相关性、占据了 紫外激光的高端市场。新 Quasar 高功率 紫外激光器具有高脉冲频率和高功率紫外输出的特点。该产品不仅可以调节脉冲宽度，还可以编程波形 ，为产品提供高工艺灵活性和可控性，大大提高了加工能力和效率。Quasar 稳定性高，使用寿命长，可保证 24/7的长期连续运行。同时，国内 品牌也取得了长足的发展，华日、英谷、瑞丰恒等企业也取得了良好的发展。2009年，华日激光开始开发纳秒级 紫外激光器。经过8 年的发展，的纳秒级紫外 激光器月产量可达 600台。2015年，华日成功收购 加 Attodyne，在多伦多建立了世界领先的超快激光研发中心。

近年来，紫外激光是工业激光市场增长较快的 的一部分。紫外激光，特别是准分子激光和全固态紫外激光，已成为一个新的研究热点。本文在介绍这两种紫外激光的工作原理和近年来国内外研究进展的基础上，重点介绍了紫外激光在激光微加工中的应用，预测和展望了 紫外激光微加工未来的研究方向。

2 紫外激光器

紫外线激光生产介质主要分为气体和固体。气体 介质通过电子束或脉冲放电，通过电子 碰撞刺激气体颗粒到一定的高能水平，从而产生紫外线激光。固体介质是通过通过非线性倍频晶体转换一次或多次红外 或近红外光获得紫外线激光。 激光器主要包括准分子激光器和全固态激光器。

2.1.准分子激光器

准分子激光器是一种以准分子为工作介质的气体 激光器，主要是稀有气体(Ar,Kr,Xe等)和 卤族元素(F,Cl,Br等），泵通常以电子束或脉冲放电的形式（如图1所示）。基态稀有气体原子 受到刺激后，核电子跳到更高的能量轨道，改变原较外层电子的结构，与其他原子结合形成 分子，当刺激分子跳回基态时，分解成 原分离原子，能量以光子的形式释放，通过谐振腔 放大，成为高能紫外激光。准分子激光 通过使用不同的工作介质输出不同的激光波长，如 Xe2F激光器可以输出较长波长(610±65) nm，Ar2激光 可输出较短波长126nm。常见的准分子激光器包括 ArF 激光器(193 nm)，KrF 激光器(248 nm)和 XeCl 激光(308 nm)等。

2.2.全固态激光器

全固态激光器具有峰值功率高、稳定性好、光束 质量高、体积小等优点，具有更广的应用前景。固体 激光器的紫外激光产生过程主要分为以下两个步骤： 1) 泵浦光源经激光器内光路照射到增强介质上，实现 粒子数反转，在谐振腔内形成红外光，作为基波；2) 基波在谐振腔内振荡，经过一次或多次非线性晶体腔 内倍频，得到所需的紫外谱线后经镜片透射、反射从 谐振腔输出。紫外固体激光器采用的泵浦方式主要分 为灯泵浦和激光二极管(LD)泵浦，其中LD紫 外固体激光器又称全固体激光器，其光路原理如图2所示。

目前，全固态激光广泛应用于增强介质 Nd:YAG(钕铝石榴石)和 Nd:YVO4两者的主要物理性质如表1所示。Nd:YAG 晶体导热性好，荧光寿命长，对激光系统硬件 散热要求低，能满足脉冲激光和大功率激光 的工作和使用要求。Nd:YAG 晶体具有较高的 机械强度，对激光波长范围内的光具有较高的透光率，能获得较好的光束质量。Nd:YAG目前晶体已成为 LD增强介质是泵浦紫外固体激光器的首选。

相比于Nd:YAG，Nd:YVO4它是一种单轴晶体，在使用过程中具有较高的吸收带宽和输出偏振光，但受其自身物理和机械性能的限制，不能制备大型高质量晶体，晶体热导率较小，部分应用于小功率激光和薄片激光 。紫外激光的频率转换方法主要包括：1） 使用非线性晶体直接处理红外激光三次、四次或五次谐波得到三次、四次或五次谐波；2） 首先使用 倍频处理制造二次谐波，然后使用和频技术将二次谐波 与基波混合制造三倍频紫外激光。后者比前者更有效，因为二次非线性极化。实现激光 基波频率转换的关键部件为非线性晶体，直接影响 输出功率的大小和光束的质量。紫外激光器中常见的 非线性晶体主要包括 LBO(三硼酸锂，LiB3O5)和 KTP(磷酸钛氧钾，KTiOPO4)。两者的部分物理性质如表2所示。LBO 倍频系数高，透光波段宽，光学均匀性高。LBO接收角度范围宽，离散角小，可实现非临界相位匹配，通过温度调整或 角度调整可实现相位匹配的返回。同时，激光损伤 阈值高，广泛应用于高平均功率的二级谐波、三级谐波、四级 谐波及其和频、差频处理等领域。KTP 晶体的光学波长范围为 350 nm~4500 nm，硬度高，不易潮解，化学性能稳定。目前主要用于 Nd:YAG 激光内腔倍频处理。

在深紫外激光研究领域，中国已成为世界上唯一掌握深紫外全固态激光技术和实用性的国家。中国科学院的研究人员研究了非线性光学晶体 氟硼铍酸钾晶体(KBBF)，国际上率先制造大尺寸 KBBF 晶体，并针对 KBBF 晶体发明的特殊棱镜耦合器 件[12]可以开发实用的深紫外固态激光源[13](如图 3 所示)，无需根据匹配角直接实现激光的倍频输出。

此外，中国科学院成功开发了8种国际先进的深紫外线*设备，如深紫外线拉曼光谱仪、深 紫外线电子发射显微镜，将拉曼光谱仪、光发光谱仪、光耦合扫描隧道 显微镜扩展到深紫外线激光波段 主要技术指标（能量分辨率、动量分辨率和旋转分辨率） 和光发射电子显微镜测量精度成量级，在促进科学 仪器行业方面发挥了积极作用。（本次发射仅为节选，仅为节选，推）