مقدمة
مع التطور السريع للتكنولوجيا ، هناك حاجة إلى معدات ليزر أخف وزنًا وأكثر كفاءة وأصغر ومتعددة الوظائف وعالية الجودة للإلكترونيات والعلاج الطبي والبيولوجيا والمواد. تتوفر أشعة الليزر الشائعة حاليًا في الأشعة تحت الحمراء والأطوال الموجية المرئية. تعاني أدوات وعمليات وتقنيات الليزر التقليدية من انخفاض الكفاءة والتشغيل المعقد والتكاليف المرتفعة والمدى المحدود والخسائر الفادحة والدقة المنخفضة. لقد أجرى العلماء بحثًا متكررًا عن الليزر فوق البنفسجي في العقود الأخيرة نظرًا لارتفاع درجة تماسكها وراحتها واستقرارها وموثوقيتها وتكلفتها المنخفضة وقابليتها للتكيف وصغر حجمها وكفاءتها العالية ودقتها وعمليتها.
2. أشعة الليزر فوق البنفسجية
تنقسم أشعة الليزر فوق البنفسجية بشكل أساسي إلى ليزر الأشعة فوق البنفسجية الغازية وليزر الحالة الصلبة للأشعة فوق البنفسجية. يصل وسيط العمل إلى حالة مثارة عن طريق امتصاص الطاقة الخارجية تحت تأثير مصدر المضخة ، وبعد أن يكون كسب انعكاس رقم الجسيمات أكبر من الخسارة ، يتم تضخيم الضوء وإعادة جزء من الضوء المضخم مرة أخرى لمواصلة الإثارة على هذا النحو توليد تذبذب في تجويف الرنين لإنتاج الليزر. تُستخدم وسائط الغاز بشكل أساسي في تفريغ الحزمة النبضية أو الإلكترونية ، حيث تثير التصادمات بين الإلكترونات جزيئات الغاز من مستويات الطاقة المنخفضة إلى مستويات الطاقة العالية لإنتاج قفزات مثيرة للحصول على أشعة الليزر فوق البنفسجية. الوسط الصلب عبارة عن بلورة مضاعفة التردد غير الخطي تنتج ضوء ليزر UV مشعًا خارجيًا بعد واحد أو أكثر من انتقالات التردد. يشيع استخدام الليزر الإكسيمري وكل الأشعة فوق البنفسجية الصلبة في المعالجة والمعالجة بالليزر.
2.1. الليزر الإكسيمري
الليزر الرئيسي للغاز فوق البنفسجي هو ليزر الإكسيمر ، ليزر أيون الأرجون ، ليزر النيتروجين الجزيئي ، ليزر الفلورين الجزيئي ، ليزر الهيليوم والكادميوم ، إلخ. يشيع استخدام ليزر الإكسيمر وما إلى ذلك للمعالجة بالليزر. ليزر الإكسيمر هو ليزر غاز مع مادة الإكسيمر كمواد عاملة. وهي أيضًا ليزر نابض وكانت ذات أهمية بحثية كبيرة منذ إنشاء أول ليزر إكسيمر في عام 1971. الإكسيمر هو جزيء مركب غير مستقر يتحلل إلى ذرات في ظل ظروف معينة. تردد التكرار ومتوسط القدرة هما الأساس للحكم على ليزر الإكسيمر. تعتبر نسبة معينة من الغازات النادرة مثل Ar و Kr و Xe الممزوجة بعناصر هالوجين مثل F و Cl و Br مواد العمل الرئيسية لليزر الغاز فوق البنفسجي ، والتي يتم ضخها عن طريق حزم الإلكترون أو التفريغ النبضي. عندما يتم إثارة ذرات الغازات النبيلة والنادرة في الحالة الأرضية ، فإن الإلكترونات الموجودة خارج النواة يتم تحفيزها إلى مدارات أعلى بحيث تمتلئ الطبقة الإلكترونية الخارجية وتندمج مع الذرات الأخرى لتكوين أشباه جزيئات ، والتي تقفز بعد ذلك مرة أخرى إلى المدارات الأعلى. الحالة الأرضية وتنقسم إلى الذرات الأصلية. كان الزينون السائل هو المادة العاملة في الليزر الإكسيمر المبكر. يشتمل ليزر الإكسيمر اليوم أيضًا على ليزر ArF عند 193 نانومتر وليزر KrF عند 248 نانومتر وليزر XeCl عند 308 نانومتر.
2.2. أشعة الليزر فوق البنفسجية الصلبة
المزايا البارزة لأشعة الليزر فوق البنفسجية ذات الحالة الصلبة هي الحجم الصغير المريح والموثوقية العالية والاستقرار التشغيلي. الأكثر شيوعًا هو بلورة Nd: YAG المعتادة لضخ LD ، والتي يتم بعد ذلك مضاعفة التردد.
تتمثل الخطوات الرئيسية في توليد ليزر الحالة الصلبة للأشعة فوق البنفسجية أولاً في ضخ مصدر الضوء في الليزر إلى وسط المكثف لتحقيق انعكاس رقم الجسيمات ، وتشكيل وتذبذب الضوء الأحمر الأساسي في تجويف الرنين ، ثم مضاعفة التردد في التجويف بواحد أو أكثر من البلورات غير الخطية ، وأخيراً إخراج الليزر فوق البنفسجي المطلوب من تجويف الرنين بعد الإرسال والانعكاس. عادةً ما يتم الحصول على ليزر الحالة الصلبة للأشعة فوق البنفسجية باستخدام طرق ضخ الصمام الثنائي LD وضخ المصباح. جميع أنواع الليزر فوق البنفسجية الصلبة هي ليزر الحالة الصلبة للأشعة فوق البنفسجية التي يتم ضخها بواسطة LD.
Nd: YAG (عقيق الألومنيوم الإيتريوم المشبع بالنيوديميوم) و Nd: YVO4 (فانات الإيتريوم المشبع بالنيوديميوم) هما من أكثر الأنواع شيوعًا من بلورات الوسائط المعززة. تتمثل إحدى الطرق الشائعة لتعزيز التجاويف الرنانة في استخدام صمام ثنائي صغير لليزر أشباه الموصلات يتم ضخه بواسطة بلورة ليزر Nd: YVO4 بطول موجة 808 نانومتر لإنتاج ضوء الأشعة تحت الحمراء القريب عند 1064 نانومتر. بالمقارنة مع Nd: YAG ، فإن بلورة الليزر Nd: YVO4 لها مقطع عرضي أكبر ، أربعة أضعاف ذلك من Nd: YAG ، معامل امتصاص أكبر ، خمسة أضعاف Nd: YAG ، وعتبة ليزر أقل. بالمقارنة مع Nd: YAG ، فإن بلورة الليزر Nd: YVO4 لها مقطع عرضي أكبر ، أربعة أضعاف ذلك من Nd: YAG ، معامل امتصاص أكبر ، خمسة أضعاف Nd: YAG ، وعتبة ليزر أقل. تتميز بلورات Nd: YAG بقوة ميكانيكية عالية ، ونقل عالي للضوء ، وعمر مضان طويل ولا تتطلب نظام تبريد وتبديد حرارة قاسي.
3. تطبيقات ليزر الأشعة فوق البنفسجية
تتميز المعالجة بالليزر بالأشعة فوق البنفسجية بالعديد من المزايا وهي حاليًا التكنولوجيا المفضلة في تطوير المعلومات التكنولوجية. أولاً ، يمكن أن ينتج ليزر الأشعة فوق البنفسجية أطوال موجية قصيرة جدًا من ضوء الليزر ، والتي يمكن أن تتعامل بدقة مع المواد فائقة الصغر والدقة ؛ ثانيًا ، "المعالجة الباردة" بأشعة الليزر فوق البنفسجية لا تدمر المادة نفسها ككل ، ولكنها تعالج سطحها فقط ؛ علاوة على ذلك ، لا يوجد أي تأثير للضرر الحراري. لا تمتص بعض المواد أشعة الليزر المرئية والأشعة تحت الحمراء بشكل فعال ، مما يجعل معالجتها مستحيلة. أكبر ميزة للأشعة فوق البنفسجية هي أن جميع المواد تمتص ضوء الأشعة فوق البنفسجية على نطاق أوسع. تعتبر أشعة الليزر فوق البنفسجية ، وخاصة أشعة الليزر فوق البنفسجية ذات الحالة الصلبة ، مضغوطة وصغيرة الحجم وسهلة الصيانة وسهلة الإنتاج بكميات كبيرة. تُستخدم أشعة الليزر فوق البنفسجية في مجموعة واسعة من التطبيقات في معالجة المواد الحيوية الطبية ، والطب الشرعي في القضايا الجنائية ، ولوحات الدوائر المتكاملة ، وصناعة أشباه الموصلات ، والمكونات الدقيقة البصرية ، والجراحة ، والاتصالات والرادار ، والمعالجة والقطع بالليزر.
3.1. تعديل خصائص سطح المواد البيولوجية
في بعض العلاجات ، يجب أن تكون العديد من المواد الطبية متوافقة مع الأنسجة البشرية أو حتى يتم إصلاحها ، مثل العلاج بالليزر فوق البنفسجي لأمراض باطن العين والتجارب على قرنيات الأرانب التي تتطلب أحيانًا تغييرات في خصائص البروتين البيولوجي والتركيبات الجزيئية الحيوية. بعد تعديل معلمات النبض المثلى لليزر الأشعة فوق البنفسجية excimer ، قام المختبرون بعد ذلك بإشعاع سطح المواد الحيوية الطبية بأشعة ليزر 100 نانومتر و 120 نانومتر و 200 نانومتر على التوالي ، وبالتالي تحسين التركيب الفيزيائي الكيميائي لسطح المادة وعدم تغيير التركيب الكيميائي العام لـ المادة ، وجعل المواد الحيوية العضوية المعالجة أكثر توافقًا بشكل ملحوظ ومقاومة للماء مع الأنسجة البشرية من خلال التجارب المقارنة مع الخلايا البيولوجية المستزرعة ، والتي تساعد بشكل كبير في التطبيقات البيولوجية الطبية.
3.2 في مجال التحقيق الجنائي
في مجال التحقيق الجنائي ، تم استخدام بصمات الأصابع كدليل بيولوجي مهم تركه المشتبه بهم في مسرح الجريمة في القضايا الجنائية منذ اكتشاف أن بصمات الأصابع فريدة من نوعها مثل الحمض النووي. بمجرد أن تؤدي الأساليب القديمة إلى تلف العينات وتجعل من الصعب جمع المعروضات وتخزينها. البحث الحالي له نتائج رائعة بالنسبة لبصمات أصابع سطح الجسم غير المخترقة ، مثل ظهور الشريط ، والصور ، والزجاج ، وما إلى ذلك. يستخدم التصوير باللمعان فوق البنفسجي والتصوير الانعكاسي بالليزر للأشعة فوق البنفسجية لرصد وتسجيل اكتشاف وجمع البصمات بواسطة أشعة الليزر فوق البنفسجية لبصمات الأصابع المحتملة من خلال مرشحات تمرير النطاق عند 266 نانومتر و 340 نانومتر على التوالي. سبعون في المائة من 120 عينة تم اختباره في التجربة بنجاح. تزيد تقنية الموجات القصيرة للأشعة فوق البنفسجية من معدل نجاح بصمات الأصابع المحتملة ، كما أن سهولة وسرعة التحكم في الخصائص البصرية تجعلها واعدة للاستخدام في علوم قاعة المحكمة. بقع اللعاب في الموقع ، يمكن الكشف عن الخلايا المقشرة ، وبقع الدم ، والشعر مع بصيلات الشعر والعينات البيولوجية الشائعة الأخرى من خلال الكشف عن الأشعة فوق البنفسجية. ومع ذلك ، عندما تم استخدام الليزر قصير الموجة 266 نانومتر فوق البنفسجية لإشعاع العينات البيولوجية على مسافة ثابتة وعلى فترات مختلفة ثم استخراج الحمض النووي ، وجد أن ليزر الأشعة فوق البنفسجية قصير الموجة 266 نانومتر كان له تأثير خطير على نتائج الحمض النووي لخمسة أنواع شائعة من الأدلة البيولوجية: بصمات الأصابع ، ب بقع الدم ، بقع اللعاب ، الخلايا المتساقطة والشعر مع بصيلات الشعر ، ولكن بدرجة أقل فقط في الكشف عن DAN البيولوجي للشعر بما في ذلك بصيلات الشعر واللعاب وبقع الدم. يمكن أن تؤثر أشعة الليزر فوق البنفسجية قصيرة الموجة على بعض المواد الحيوية للحمض النووي ، لذلك يجب اختيار طريقة الاستخراج بعناية لقيمتها الاستدلالية أثناء تحقيقات الطب الشرعي.
3.3 تطبيقات الليزر فوق البنفسجية على لوحات الدوائر المتكاملة
يتطلب إنتاج مجموعة واسعة من لوحات الدوائر في الصناعة ، من الأسلاك الأولية إلى إنتاج رقائق صغيرة دقيقة مدمجة تتطلب عمليات متقدمة ، ودوائر مرنة داخل لوحات الدوائر المتكاملة ، والدوائر الرقائقية في البوليمرات والنحاس ، كلها تتطلب حفرًا وقطعًا ذات فتحات صغيرة ، بالإضافة إلى إصلاح وفحص المواد الموجودة على الألواح ، والتي تتطلب غالبًا استخدام التصنيع الدقيق والمعالجة. من الواضح أن تقنية الليزر الدقيق هي الخيار الأفضل لمعالجة لوحات الدوائر. لا يتلامس الليزر مع المنتج المراد معالجته أثناء العملية ، مما يؤدي إلى تجنب القوى الميكانيكية بشكل فعال ، مما يؤدي إلى معالجة سريعة ومرونة عالية وعدم وجود متطلبات خاصة لمكان العمل ، والتي يمكن أن تصل إلى مقادير أقل من ميكرون من خلال الإعداد الدقيق لليزر المعلمات وتصميم البحث. طرق الحفر الأكثر تقليدية المستخدمة في لوحات الدوائر هي استخدام الليزر فوق البنفسجي وليزر ثاني أكسيد الكربون للوسم غير المعدني (تُستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون بطول موجة 10.6 ميكرومتر لتمييز المواد غير المعدنية ؛ الأطوال الموجية 1064 نانومتر أو 532 نانومتر بشكل عام تستخدم لوضع العلامات على المواد المعدنية). في الوقت الحاضر ، لا تزال تقنية المعالجة بالليزر فوق البنفسجية مستخدمة بشكل أساسي ، والتي يمكن أن تحقق معالجة على مستوى الميكرون ، ودقة عالية ، ويمكن أن تنتج أجهزة صفرية دقيقة للغاية ، ويمكن تطبيقها على أقل من 1 ميكرومتر من بقعة شعاع الليزر للفتحة الدقيقة يتم المعالجة. ومع ذلك ، يتم استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون بشكل أساسي في الثقوب التي يتراوح حجمها بين 75 و 150 مم وعرضة لسوء المحاذاة في الثقوب الصغيرة ، في حين يمكن استخدام ليزر الأشعة فوق البنفسجية للفتحات حتى 25 مم بدقة عالية وبدون محاذاة غير صحيحة. على سبيل المثال ، في المعالجة "الباردة" لألواح الدوائر المكسوة بالنحاس باستخدام ليزر الفيمتو ثانية فوق البنفسجية ، يتم استخدام طريقة موازنة شاملة للحصول على معلمات العملية المثلى ، ثم تُستخدم خصائص النقش الانتقائي لتحقيق جودة عالية وكفاءة عالية حفر خط صغير للأسطح المكسوة بالنحاس بعرض خط 50 ميكرومتر وخط خطوة 20 ميكرومتر.
3.4 تجهيز وتحضير المكونات الدقيقة البصرية
في عصر تكنولوجيا المعلومات والتطور السريع للصناعة الحديثة ، فإن الحاجة إلى بناء المزيد من الأنظمة التجريبية في مساحة أصغر وتحقيق المزيد من الوظائف تتطلب التطور السريع لتكنولوجيا المعلومات ، والأهم من ذلك ، إنتاج أنظمة أصغر ، مصغرة وكاملة. الأجهزة الوظيفية التي تعالج الروابط الكيميائية الموجودة على سطح المادة فقط. لها تطبيقات مهمة وقيمة بحثية في مجالات اتصالات الرادار العسكرية والعلاج الطبي والفضاء والكيمياء الحيوية. من الممكن إجراء المزيد من القطع المتعمق والتحسين والبحث وتطوير التطبيقات على المكونات الضوئية الدقيقة على المقياس النانوي ، مما يؤدي إلى تحويل وظائف وخصائص المكونات البصرية التقليدية. تتميز البصريات الدقيقة بكونها سهلة الإنتاج على نطاق واسع ، وسهلة التجميع ، وصغيرة ، وخفيفة ، ومرنة ، ولكن المادة الرئيسية هي زجاج الكوارتز. زجاج الكوارتز عرضة للتشقق والفوهات أثناء التطبيق والمناولة وهو مادة صلبة وهشة ، مما يقلل بشكل كبير من خصائصه البصرية. ونتيجة لذلك ، فإن تقنية المعالجة "الباردة" للكتابة المباشرة لليزر فوق البنفسجي قد حسنت بشكل كبير من كفاءة الأجهزة البصرية الدقيقة ، مما يتيح المعالجة السريعة للمكونات الدقيقة الضوئية بدقة عالية وبنية دقيقة دون إتلاف المادة ، والسماح بمعالجة مرنة دفعات كبيرة وصغيرة بمتطلبات مختلفة. في حين أن معاهد البحوث الأجنبية قد درست معالجة الأشعة فوق البنفسجية للأشعة فوق البنفسجية لرقائق السيليكون في وقت سابق ، لم يتم إجراء البحوث المحلية حول تكنولوجيا وجوانب قطع رقاقة السيليكون إلا بعد بداية متأخرة نسبيًا. قص محسن لثلاث رقائق سيليكون من نفس المادة (0. 18 مم ، 0. 38 مم و 0. 6 مم) بفتحة لا تقل عن 45 ميكرومتر ودقة معالجة تبلغ 20 ميكرومتر ، لا تظهر أي تشققات في المادة ، وتأثير أقل للحرارة لليزر وأقل ترشيشًا.
3.4. تطبيقات الليزر فوق البنفسجية في صناعة أشباه الموصلات
حظي التصنيع الدقيق لمواد أشباه الموصلات بأشعة الليزر فوق البنفسجية باهتمام متزايد في السنوات الأخيرة. الآلاف من مكونات الدوائر الكثيفة شائعة جدًا في الدوائر المتكاملة ، لذلك يلزم وجود بعض طرق المعالجة والمعالجة عالية الدقة ، بالإضافة إلى بعض الأدوات والأجهزة عالية الدقة مثل السيليكون ومواد أشباه الموصلات الياقوت والأغشية الرقيقة الأخرى من أشباه الموصلات ذات المعالجة الدقيقة الدقيقة بواسطة ليزر الأشعة فوق البنفسجية ودراسة الخصائص الطيفية للفيلم ، في حين أن ليزر الأشعة فوق البنفسجية يمكن أن يزيد أيضًا من استخدام الطاقة الضوئية لمواد السيليكون ، ولكن أيضًا إجراء تغييرات في البنية المجهرية لسطح السيليكون ، مما يؤدي إلى تطوير الألواح الشمسية ، مثل اثنين- صريف صغير الأبعاد ، إلخ.
4. ملاحظات ختامية
من خلال عقود من التطوير والبحث ، أصبحت تكنولوجيا الليزر فوق البنفسجي وتطبيقاته أكثر انتشارًا ونضجًا ، كما أن تقنية المعالجة "الباردة" الدقيقة الأكثر تميزًا تعالج الأسطح دون تغيير الخصائص الفيزيائية للكائن ، وهي تستخدم على نطاق واسع في مختلف الصناعات والمجالات مثل الاتصالات والبصريات والجيش والتحقيق الجنائي والعلاج الطبي. عصر 5G ، على سبيل المثال ، يولد الطلب على معالجة FPC. مع التطور الإضافي لصناعة 5G والسعي وراء شاشات OLED المرنة من قبل كبرى شركات تصنيع الإلكترونيات ، فإن الطلب على لوحات الدوائر المرنة FPC ينمو بسرعة ، ومعه ، يزداد الطلب على ليزر الأشعة فوق البنفسجية. يؤمل أن يؤدي هذا الاتجاه إلى تطور سريع لتكنولوجيا الأشعة فوق البنفسجية نفسها لتحقيق اختراقات أكبر في عرض الطاقة والنبض ، بالإضافة إلى مجالات جديدة للتطبيق. أدى تطبيق آلات الليزر فوق البنفسجية إلى جعل المعالجة الباردة الدقيقة للمواد مثل FPC ممكنة ، بينما أدت الزيادة التدريجية في FPC إلى نشر 5G ، التي توفر خصائصها منخفضة الكمون فرصًا غير محدودة لموجات جديدة من التطور التكنولوجي مثل التكنولوجيا السحابية ، و إنترنت الأشياء والسائق والواقع الافتراضي. هذا بالطبع مفهوم تكميلي ، وستؤدي التقنيات والتطبيقات الجديدة في النهاية إلى زيادة تطوير الليزر فوق البنفسجي.
مع ظهور المزيد والمزيد من البلورات المضاعفة للترددات الجديدة وكسب الوسائط ، كلما كان الطول الموجي أقصر ، سيتم استخدام طاقة الليزر فوق البنفسجية في المستقبل في المزيد من الصناعات لتعزيز تطوير جميع مناحي الحياة ، وأشعة الليزر فوق البنفسجية في مجال المعالجة أكثر ذكاءً وكفاءة ودقة ، ومعدل تكرار عالي ، واستقرار عالي هو اتجاه التنمية المستقبلية.
