摘要: 紫外激光是一种能量比较集中、波长较短、分辨率高，可以被广泛材料充分且有效吸收的激光。它具有不接触物体就可改造物体表面生物、化学和物理性质的特性，最突出的特点是“冷”加工，及较少的产生热，减少热能对材料的损伤，所以特别适用于加工微小脆性的材料。本文简要介绍了紫外激光器的发展，并对常用于激光加工的准分子气体激光器和全固态紫外激光器的原理和技术进行了概述。重点介绍了紫外激光器的应用。在医用生物材料方面：紫外激光对生物材料照射，改其表面的生物、化学特性，但不破坏和改变材料整体性质，如增强生物材料与人体组织的相容性。在刑侦方面，通过紫外激光器可以更加便捷地找到犯罪嫌疑人在现场留下的痕迹。在集成电路板上的应用方面，紫外激光器可以在柔性电路、聚合物和铜的层布式电路还有一些微小的电路材料上进行精确的打孔、打标、切割。在微光学器件和半导体产业中的应用方面，紫外激光器可以对易碎、容易破损、易产生裂纹的微小光学器件和半导体材料进行高效和高质量的加工和研究。
Abstract:
Ultraviolet laser is a kind of laser with concentrated energy, short wavelength and high resolution, which can be fully and effectively absorbed by a wide range of materials. It has the characteristics that it can transform the biological, chemical and physical properties of the object surface without touching the object. The most prominent feature is “cold” processing, and less heat generation, which can reduce the damage of heat energy to materials, so it is especially suitable for processing micro-brittle materials. In this paper, the development of ultraviolet laser is briefly introduced, and the principle and technology of excimer gas laser and all solid state ultraviolet laser commonly used in laser processing are summarized. The application of UV laser is mainly introduced. In the aspect of medical biomaterials, ultraviolet laser irradiation can improve the biological and chemical properties of biomaterials surface, but not destroy and change the overall properties of biomaterials, such as enhancing the compatibility between biomaterials and human tissues. In the area of criminal investigation, ultraviolet laser can be more convenient to find the traces left by suspects. In the application of integrated circuit board, UV laser can accurately punch, mark and cut on flexible circuit, polymer and copper layer circuit, and some microcircuit materials. In the application of micro-optical devices and semiconductor industry, UV laser can be used to process and research micro-optical devices and semiconductor materials with high efficiency and high quality.
1. 引言
随着科技的快速发展，电子、医学治疗、生物还有材料等方面都需要更为轻便、高效、小型化、多功能、高品质的激光仪器设备。目前常见的激光器的波长为红外和可见光，传统的激光工具、工艺和技术存在效率低、操作复杂、成本高、范围受限、损耗严重、精确度低等问题。近几十年来紫外激光器被科学家们反复研究突破，是因为其具有相对高的相干性，更加便捷、稳定可靠、成本低、可调谐、小型、效率高、精度高还有实用化等特点。
2. 紫外激光器
紫外激光器主要分为气体紫外激光器和固体紫外固体激光器。工作介质在泵浦源的作用下通过吸收外界的能量达到激发态，经过粒子数反转增益大于损耗，对光进行放大，部分被放大的光反馈继续激励从而在谐振腔内产生振荡产生激光。气体介质主要是利用脉冲或者电子束放电，通过电子之间的相互碰撞把气体粒子由低能级激发到高能级产生受激跃迁从而得到紫外激光。固体介质是用非线性倍频晶体的方式在经过一次及以上的频率转换产生向外辐射的紫外激光。准分子和全固态紫外激光器常用于激光加工和处理 [1]。紫外激光器的分类如表1。
2.1. 准分子激光器
气体紫外激光器主要有准分子激光器、氩离子激光器、氮分子激光器、氟分子激光器、氦镉激光器等。准分子激光器等通常用于激光加工 [2]。准分子激光器是以准分子为工作物质的气体激光器，它也是一种脉冲激光器，从1971年第一台准分子激光器的诞生 [3]，就有了巨大的研究意义。准分子是一种不稳定复合的分子，在一定情况下会分解成原子。重复频率和平均功率为评判准分子激光器的依据。一定比例的Ar、Kr、Xe等的稀有气体和F、Cl、Br等的卤族元素相混合是紫外气体激光器的主要工作物质，实现泵浦的方法是用电子束或脉冲放电达到。基态的惰性气体原子和稀有气体原子受激发后，核外电子从而被激发到更高的轨道使最外层电子层被填充满，并与其他原子结合形成准分子，随后跃迁回基态再分解成原来的原子，剩余能量以光子的形式分离出来最后经过谐振腔的放大得到紫外激光如图1所示 [1]。液态氙为早期的准分激光器的工作物质。现在的准分子激光器还包括193 nm的ArF激光器，248 nm的KrF激光器和308 nm的XeCl激光等。
Table 1. Classification of UV lasers
表1. 紫外激光器的分类
Figure 1. Schematic diagram of excimer laser generation
图1. 准分子激光产生原理图
2.2. 固态紫外激光器
全固态紫外激光器的突出优点有便捷体积小、可靠性高和工作稳定等。最常用的是LD泵浦惯用的Nd:YAG晶体，再进行倍频如图2所示 [4]。
产生紫外固体激光器的主要步骤是首先激光器内的泵浦光源照射到增强介质上从而实现粒子数反转 [5]，基波红光在谐振腔内形成并且振荡，再通过一次或多次非线性晶体腔内倍频，在经过透射、反射最终从谐振腔输出所需的紫外激光。通常采用LD二极管泵浦和灯泵浦的方法得到紫外固体激光器。全固态紫外激光器即LD泵浦的紫外固体激光器，其光路原理如图3所示 [1]。
Figure 2. Experimental set up of the ultraviolet laser
图2. 全固体紫外激光器实验装置
Figure 3. Schematic diagram of optical path in diode pumped solid state laser
图3. 全固态激光器光路原理图
Nd:YAG (掺钕钇铝石榴石)和Nd:YVO4 (掺钕钒酸钇)是两种比较常见的增强介质晶体。常用的增强谐振腔的方法是用波长为808 nm的小型半导体激光二极管LD泵浦Nd:YVO4激光晶体产生1064 nm的近红外光，腔内倍频输出波长为532 nm的绿光，再送入增强谐振腔进行四倍频，输出波长为266nm的深紫外激光，基频绿光输入阈值可低到215 mW [6]。与Nd:YAG比较，Nd:YVO4激光晶体具有更大的增益截面，是Nd:YAG的4倍；吸收系数大，是Nd:YAG的5倍，有激光阈值低等优点。Nd:YAG晶体的机械强度比较高，光线的透射率高，荧光寿命长，也不需要过为严苛的散热降温系统，可以适应于广泛的工作使用需求，可以得到较高质量的激光，所以现在国内外通常使用紫外固体激光器会选择Nd:YAG晶体来做增益介质。
3. 紫外激光器的应用
紫外激光加工方面有很多优点，也是目前科技信息发展中的首选技术。首先紫外激光器可以输出超短波长的激光，可以精准处理超小细微的材料；其次紫外激光的“冷处理”不会整体破坏材料本身，只是对其表面就行处理；再者基本无热损伤影响 [7]；一些材料对可见光和红外激光不能有效吸收导致无法加工，紫外最大的优势是基本所有的材料对紫外光吸收较为广泛 [8]。紫外激光器尤其是固体紫外激光器的结构紧凑且体积小、简单好维护、易大量生产。紫外激光器在加工处理医用生物材料、刑事案件取证、集成电路板、半导体工业、微光元器件、外科手术 [9]、通信和雷达、激光加工割方面应用十分广泛。
3.1. 改变生物材料表面特性
在某些治疗中，许多医用材料需要与人体组织相容，甚至是修复，如紫外激光治疗眼内疾病 [10] 和兔角膜实验 [11] 有时也需要改变生物蛋白质特性 [12] 和生物大分子结构 [13]，调整准分子紫外激光器最佳脉冲参数，实验人员再分别用100 nm、120 nm、200 nm的激光对医用生物材料表面照射后，从而改善材料表面物理化学结构，并不改变材料整体化学结构，通过培养生物细胞对比实验，使处理后的有机生物材料与人体组织相容性和亲水性有显著性提高，在医用生物应用方面有很大的帮助 [14]。
3.2. 刑侦领域
在刑侦领域，当发现指纹同DNA一样具有独一无二的特性以来，指印便可作为刑事案件犯罪嫌疑人的遗留在犯罪现场的重要生物证。曾经旧的方法会导致样品损伤，难以对证物进行收集和存储。现在的研究针对于非渗透性客体表面指纹，如胶带、照片、玻璃等显现具有突出效果。“紫外发光成像技术”和“紫外激光反射成像技术”即波长为266 nm的紫外激光照射潜在指印，分别透过266 nm和340 nm的带通滤光镜，来观察和记录紫外激光对指印的检测和采纳收集 [15]。实验中的120个实验样本有百分之七十都可被成功检测。紫外短波技术提高了潜在指印的成功率，而且方便快捷容易控制其光学特性，在法庭科学领域有广大的应用前景。现场唾液斑、脱落细胞、血迹、有毛囊的毛发等常见生物检材探测都可用紫外检测。但是通过短波266 nm的紫外激光在固定距离通过不同时长照射生物检材再提取DNA进行分析，结果发现短波266 nm的紫外激光对指印、血迹、唾液斑、脱落细胞、有毛囊的毛发5种常见生物物证的DNA检验结果产生严重影响，但是针对毛发包括毛囊、体液唾液和血液斑痕等的生物DAN的检测仅有少部分的影响。短波紫外激光会对部分DNA生物检材产生影响，所以在刑侦调查取证时要依据证据作用来慎重选择提取方法 [16]。
3.3. 紫外激光在集成电路板上的应用
在工业领域中多种电路板的生产制作过程，从最开始的布线到生产成需要高级工艺的微小精密的嵌入式芯片，集成电路板内的柔性电路、聚合物和铜的层布式电路都需要钻微孔和切割 [17]，也包括电路板上材料的修复和检测，常需要用到等微细加工和处理。电路板加工中激光微加工技术显然成为最佳选择。激光在加工过程中，工作机器不与被加工产品接触，有效避免机械作用力，加工迅速，灵活性高，并且对工作场合无需特殊要求，通过对激光参数的精准设置和研究设计，可以达到微米以下量级 [18]。电路板上用的比较传统的钻孔方式是利用紫外激光器和CO2激光器用于非金属打标(波长为10.6 μm的CO2激光器用于非金属材料打标；波长1064 nm或者532 nm一般用于金属材料打标 [19] )。目前还是主要采用紫外
Figure 4. Schematic diagram of femtosecond laser micro machining system
图4. 飞秒激光微加工系统结构示意图
激光加工技术，可以达到微米级的加工，精确度高，可以制作超细微零器件，可以应用于小于1 μm光斑的激光束的微孔加工。但是CO2激光器主要打75~150 mm的孔，且小孔易错位，而紫外激光器可以打25 mm以下的孔，精度高且不会错位 [20]。例如在用紫外飞秒激光“冷”加工覆铜线路板中利用综合平衡法得到最优工艺参数，再用选择性刻蚀的特性达到高质量、高效率线宽50 μm、线间距20 μm的覆铜板表面微细线路刻蚀加工 [21] 如图4和图5所示。
Figure 5. Schematic diagram of direct scanning etching of copper clad plate by a femtosecond laser
图5. 飞秒激光直接扫描刻蚀覆铜板示意图
3.4. 微光元器件的加工和制备
在科学技术和现代工业的快速发展的信息化时代，要达到在更小空间内搭建更多的实验系统并实现更多的功能，就要加快信息技术的发展更重要的是要制作加工出更小型化、微型化并且仅对材料表面化学键进行处理 [22] 的功能齐全的器件。在军事雷达通讯 [23]、医学治疗、航空航天和生物化学等领域具有重要的应用和研究价值。可以在纳米尺度的微光学元件上进行更加深入的切割和优化并研究和开发应用，
Figure 6. Laser cutting 0.6 mm, 0.38 mm, 0.18 mm thick monocrystalline silicon
图6. 激光切割0.6 mm、0.38 mm、0.18 mm厚单晶硅
转变传统的光学元器件功能和特性。微光学元件具有容易批量生产和易于实现阵列化还有简小轻便灵活等优点，但是它的主要材料是石英玻璃。石英玻璃在应用和处理过程中很容易产生裂纹和凹坑，是一种硬脆性材料，这就使其光学性能大大减弱。因此，紫外激光的直写“冷”加工技术 [24] 大大提高了微光学器件的效率，迅速完成高精度微细结构的微光元器件加工且不伤材料，可以灵活完成大小批量的不同需求的加工。国外科研机构对紫外紫外加工硅片的研究比较早 [25]，国内起步较晚随后才对硅片切割技术及切面进行研究 [26]。十几年前，张菲等人利用自己研发的紫外全固态激光对微加工系统进行了研究，对相同材质的三种(0.18 mm、0.38 mm、0.6 mm)的硅片进行优化切割，最小孔径45 μm，加工精度20 μm，结果表明材料没有出现裂痕，激光的热影响较小，飞溅物较少 [27] 如图6所示。
3.5. 紫外激光在半导体产业中的应用
近几年来，紫外激光对半导体材料的微加工受到了越来越多的关注。成千上万的密集电路元件在集成电路中非常常见，所以就需要一些高精密的处理和加工方法 [28]，还有一些高精仪器和器件的硅和蓝宝石等半导体材料等半导体薄膜的精密微加工靠紫外激光且研究薄膜的光谱特性 [29]，同时紫外激光还可以加大硅材料对光能的利用率，也可以使得硅表面的微结构发生改变，有利于太阳能电池板的研发，如二维微光栅等。
2018年李奇思等人使用355 nm全固态紫外激光器对硼硅玻璃表面和雕刻深度、底面光滑度、通道垂直情况进行研究，实验分析优化加工参数，得到了材料表面损伤小、裂纹少、雕刻深度大、切面垂直且平整的硼硅玻璃微通道 [30] 如图7所示。
Figure 7. Surface morphologies and depths of micro-channels in borosilicate glass by ultraviolet laser etching under different scanning speeds. (a) 40 KHZ; (b) 30 KHZ; (c) 25 KHZ; (d) Micro-channel depth versus laser repetition frequency
图7. 不同重复频率下紫外激光刻蚀硼硅玻璃微通道的表面形貌和微通道深度。(a) 40 KHZ；(b) 30 KHZ；(c) 25 KHZ；(d) 微通道深度随激光重复频率的变化
4. 结束语
通过这几十年的发展和研究，紫外激光器的技术和应用越来越广泛和成熟，它最有特点的精细的“冷”加工技术在不改变物体物理性质的同时对表面进行微加工和处理，广泛应用于通讯、光学、军事、刑侦、医疗等各个行业和领域。例如，5G时代，催生了FPC加工市场需求。随着5G产业的进一步发展，以及各大电子产品制造商对柔性OLED显示屏的追逐，催生了市场对FPC柔性线路板的需求迅猛增长，随之而来对紫外激光器的需求也将得到快速增长。这个发展趋势将有望快速促进紫外技术自身的发展，以在功率和脉宽方面实现更大的突破，同时拓展出更多新的应用领域。紫外激光机的应用，让FPC等材料的精密冷加工成为可能，而FPC的逐步增加，推动了5G部署，5G的低延迟特性，给诸如云技术、物联网、无人驾驶、VR等新一波的技术发展提供了无限生机。当然这是个相辅相成的概念，新技术新应用也最终会拉动紫外激光的进一步发展。
随着越来越多的新型的倍频晶体和增益介质的出现，越短波长功率越高的紫外激光器将在未来应用于更多的行业，促进各行各业的发展，紫外激光在加工领域更加智能、高效精准、高重复率、高稳定性是未来发展的趋势。
基金项目
海南省高等学校科学研究项目(Hnky2020-24)、海南省自然科学基金(2018CXTD336，618QN241)资助、海南省重大科技计划项目(ZDKJ2019005)、海南省基础与应用基础研究计划(自然科学领域)高层次人才项目(2019RC190，2019RC192)、海南省科协青年科技英才学术创新计划项目(QCXM201810)、国家自然科学基金项目(61864002，61964007)和中国工程科技发展战略项目(19-HN-XZ-07)。
NOTES
*通讯作者。