本文作者：蘇 暢，馬宇航，丁可可，韋 龍，李再金* ，趙志斌，曾麗娜，李 林，喬忠良，陳 浩，曲 軼，

來自海南師范大學物理與電子工程學院，海南省激光技術與光電功能材料重點實驗室，僅供行業交流學習之用，感謝分享！

1. 引言

隨著科技的快速發展，電子、醫學治療、生物還有材料等方面都需要更為輕便、高效、小型化、多功能、高品質的激光儀器設備。目前常見的激光器的波長為紅外和可見光，傳統的激光工具、工藝和技術存在效率低、操作復雜、成本高、范圍受限、損耗嚴重、精確度低等問題。近幾十年來紫外激光器被科學家們反復研究突破，是因為其具有相對高的相干性，更加便捷、穩定可靠、成本低、可調諧、小型、效率高、精度高還有實用化等特點。

2. 紫外激光器

紫外激光器主要分為氣體紫外激光器和固體紫外固體激光器。工作介質在泵浦源的作用下通過吸收外界的能量達到激發態，經過粒子數反轉增益大于損耗，對光進行放大，部分被放大的光反饋繼續激勵從而在諧振腔內產生振蕩產生激光。氣體介質主要是利用脈沖或者電子束放電，通過電子之間的相互碰撞把氣體粒子由低能級激發到高能級產生受激躍遷從而得到紫外激光。固體介質是用非線性倍頻晶體的方式在經過一次及以上的頻率轉換產生向外輻射的紫外激光。準分子和全固態紫外激光器常用于激光加工和處理[1]。紫外激光器的分類如表 1。

2.1. 準分子激光器

氣體紫外激光器主要有準分子激光器、氬離子激光器、氮分子激光器、氟分子激光器、氦鎘激光器等。準分子激光器等通常用于激光加工[2]。準分子激光器是以準分子為工作物質的氣體激光器，它也是一種脈沖激光器，從 1971 年第一臺準分子激光器的誕生[3]，就有了巨大的研究意義。準分子是一種不穩定復合的分子，在一定情況下會分解成原子。重復頻率和平均功率為評判準分子激光器的依據。一定比例的 Ar、Kr、Xe 等的稀有氣體和 F、Cl、Br 等的鹵族元素相混合是紫外氣體激光器的主要工作物質，實現泵浦的方法是用電子束或脈沖放電達到。基態的惰性氣體原子和稀有氣體原子受激發后，核外電子從而被激發到更高的軌道使最外層電子層被填充滿，并與其他原子結合形成準分子，隨后躍遷回基態再分解成原來的原子，剩余能量以光子的形式分離出來最后經過諧振腔的放大得到紫外激光如圖 1 所示[1]。液態氙為早期的準分激光器的工作物質。現在的準分子激光器還包括 193 nm 的 ArF 激光器，248 nm 的KrF 激光器和 308 nm 的 XeCl 激光等。

2.2. 固態紫外激光器

全固態紫外激光器的突出優點有便捷體積小、可靠性高和工作穩定等。最常用的是 LD 泵浦慣用的Nd:YAG 晶體，再進行倍頻如圖 2 所示[4]。

產生紫外固體激光器的主要步驟是首先激光器內的泵浦光源照射到增強介質上從而實現粒子數反轉[5]，基波紅光在諧振腔內形成并且振蕩，再通過一次或多次非線性晶體腔內倍頻，在經過透射、反射最終從諧振腔輸出所需的紫外激光。通常采用 LD 二極管泵浦和燈泵浦的方法得到紫外固體激光器。全固態紫外激光器即 LD 泵浦的紫外固體激光器，其光路原理如圖 3 所示[1]。

Nd:YAG (摻釹釔鋁石榴石)和 Nd:YVO4 (摻釹釩酸釔)是兩種比較常見的增強介質晶體。常用的增強諧振腔的方法是用波長為 808 nm 的小型半導體激光二極管 LD 泵浦 Nd:YVO4 激光晶體產生 1064 nm 的近紅外光，腔內倍頻輸出波長為 532 nm 的綠光，再送入增強諧振腔進行四倍頻，輸出波長為 266nm 的深紫外激光，基頻綠光輸入閾值可低到 215 mW [6]。與 Nd:YAG 比較，Nd:YVO4 激光晶體具有更大的增益截面，是 Nd:YAG 的 4 倍；吸收系數大，是 Nd:YAG 的 5 倍，有激光閾值低等優點。Nd:YAG 晶體的機械強度比較高，光線的透射率高，熒光壽命長，也不需要過為嚴苛的散熱降溫系統，可以適應于廣泛的工作使用需求，可以得到較高質量的激光，所以現在國內外通常使用紫外固體激光器會選擇 Nd:YAG晶體來做增益介質。

3. 紫外激光器的應用

紫外激光加工方面有很多優點，也是目前科技信息發展中的首選技術。首先紫外激光器可以輸出超短波長的激光，可以精準處理超小細微的材料；其次紫外激光的“冷處理”不會整體破壞材料本身，只是對其表面就行處理；再者基本無熱損傷影響[7]；一些材料對可見光和紅外激光不能有效吸收導致無法加工，紫外最大的優勢是基本所有的材料對紫外光吸收較為廣泛[8]。紫外激光器尤其是固體紫外激光器的結構緊湊且體積小、簡單好維護、易大量生產。紫外激光器在加工處理醫用生物材料、刑事案件取證、集成電路板、半導體工業、微光元器件、外科手術[9]、通信和雷達、激光加工割方面應用十分廣泛。

3.1. 改變生物材料表面特性

在某些治療中，許多醫用材料需要與人體組織相容，甚至是修復，如紫外激光治療眼內疾病[10]和兔角膜實驗[11]有時也需要改變生物蛋白質特性[12]和生物大分子結構[13]，調整準分子紫外激光器最佳脈沖參數，實驗人員再分別用 100 nm、120 nm、200 nm 的激光對醫用生物材料表面照射后，從而改善材料表面物理化學結構，并不改變材料整體化學結構，通過培養生物細胞對比實驗，使處理后的有機生物材料與人體組織相容性和親水性有顯著性提高，在醫用生物應用方面有很大的幫助[14]。

3.2. 刑偵領域

在刑偵領域，當發現指紋同 DNA 一樣具有獨一無二的特性以來，指印便可作為刑事案件犯罪嫌疑人的遺留在犯罪現場的重要生物證。曾經舊的方法會導致樣品損傷，難以對證物進行收集和存儲。現在的研究針對于非滲透性客體表面指紋，如膠帶、照片、玻璃等顯現具有突出效果。“紫外發光成像技術”和“紫外激光反射成像技術”即波長為 266 nm 的紫外激光照射潛在指印，分別透過 266 nm 和 340 nm 的帶通濾光鏡，來觀察和記錄紫外激光對指印的檢測和采納收集[15]。實驗中的 120 個實驗樣本有百分之七十都可被成功檢測。紫外短波技術提高了潛在指印的成功率，而且方便快捷容易控制其光學特性，在法庭科學領域有廣大的應用前景。現場唾液斑、脫落細胞、血跡、有毛囊的毛發等常見生物檢材探測都可用紫外檢測。但是通過短波 266 nm 的紫外激光在固定距離通過不同時長照射生物檢材再提取 DNA 進行分析，結果發現短波 266 nm 的紫外激光對指印、血跡、唾液斑、脫落細胞、有毛囊的毛發 5 種常見生物物證的 DNA 檢驗結果產生嚴重影響，但是針對毛發包括毛囊、體液唾液和血液斑痕等的生物 DAN 的檢測僅有少部分的影響。短波紫外激光會對部分 DNA 生物檢材產生影響，所以在刑偵調查取證時要依據證據作用來慎重選擇提取方法[16]。

3.3. 紫外激光在集成電路板上的應用

在工業領域中多種電路板的生產制作過程，從最開始的布線到生產成需要高級工藝的微小精密的嵌入式芯片，集成電路板內的柔性電路、聚合物和銅的層布式電路都需要鉆微孔和切割[17]，也包括電路板上材料的修復和檢測，常需要用到等微細加工和處理。電路板加工中激光微加工技術顯然成為最佳選擇。激光在加工過程中，工作機器不與被加工產品接觸，有效避免機械作用力，加工迅速，靈活性高，并且對工作場合無需特殊要求，通過對激光參數的精準設置和研究設計，可以達到微米以下量級[18]。電路板上用的比較傳統的鉆孔方式是利用紫外激光器和 CO2激光器用于非金屬打標(波長為 10.6 μm 的 CO2激光器用于非金屬材料打標；波長 1064 nm 或者 532 nm 一般用于金屬材料打標[19])。目前還是主要采用紫外激光加工技術，可以達到微米級的加工，精確度高，可以制作超細微零器件，可以應用于小于 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，且小孔易錯位，而紫外激光器可以打 25 mm 以下的孔，精度高且不會錯位[20]。例如在用紫外飛秒激光“冷”加工覆銅線路板中利用綜合平 衡法得到最優工藝參數，再用選擇性刻蝕的特性達到高質量、高效率線寬 50 μm、線間距 20 μm 的覆銅 板表面微細線路刻蝕加工[21]如圖 4 和圖 5 所示。

3.4. 微光元器件的加工和制備

在科學技術和現代工業的快速發展的信息化時代，要達到在更小空間內搭建更多的實驗系統并實現 更多的功能，就要加快信息技術的發展更重要的是要制作加工出更小型化、微型化并且僅對材料表面化 學鍵進行處理[22]的功能齊全的器件。在軍事雷達通訊[23]、醫學治療、航空航天和生物化學等領域具有 重要的應用和研究價值。可以在納米尺度的微光學元件上進行更加深入的切割和優化并研究和開發應用，轉變傳統的光學元器件功能和特性。微光學元件具有容易批量生產和易于實現陣列化還有簡小輕便靈活 等優點，但是它的主要材料是石英玻璃。石英玻璃在應用和處理過程中很容易產生裂紋和凹坑，是一種 硬脆性材料，這就使其光學性能大大減弱。因此，紫外激光的直寫“冷”加工技術[24]大大提高了微光學器 件的效率，迅速完成高精度微細結構的微光元器件加工且不傷材料，可以靈活完成大小批量的不同需求 的加工。國外科研機構對紫外紫外加工硅片的研究比較早[25]，國內起步較晚隨后才對硅片切割技術及切面進行研究[26]。十幾年前，張菲等人利用自己研發的紫外全固態激光對微加工系統進行了研究，對相同 材質的三種(0.18 mm、0.38 mm、0.6 mm)的硅片進行優化切割，最小孔徑 45 μm，加工精度 20 μm，結果 表明材料沒有出現裂痕，激光的熱影響較小，飛濺物較少[27]如圖 6 所示。

3.5. 紫外激光在半導體產業中的應用

近幾年來，紫外激光對半導體材料的微加工受到了越來越多的關注。成千上萬的密集電路元件在集 成電路中非常常見，所以就需要一些高精密的處理和加工方法[28]，還有一些高精儀器和器件的硅和藍寶 石等半導體材料等半導體薄膜的精密微加工靠紫外激光且研究薄膜的光譜特性[29]，同時紫外激光還可以 加大硅材料對光能的利用率，也可以使得硅表面的微結構發生改變，有利于太陽能電池板的研發，如二 維微光柵等。

2018 年李奇思等人使用 355 nm 全固態紫外激光器對硼硅玻璃表面和雕刻深度、底面光滑度、通道 垂直情況進行研究，實驗分析優化加工參數，得到了材料表面損傷小、裂紋少、雕刻深度大、切面垂直 且平整的硼硅玻璃微通道[30]如圖 7 所示。

4. 結束語

通過這幾十年的發展和研究，紫外激光器的技術和應用越來越廣泛和成熟，它最有特點的精細的“冷”加工技術在不改變物體物理性質的同時對表面進行微加工和處理，廣泛應用于通訊、光學、軍事、刑偵、醫療等各個行業和領域。例如，5G 時代，催生了 FPC 加工市場需求。隨著 5G 產業的進一步發展，以及各大電子產品制造商對柔性 OLED 顯示屏的追逐，催生了市場對 FPC 柔性線路板的需求迅猛增長，隨之而來對紫外激光器的需求也將得到快速增長。這個發展趨勢將有望快速促進紫外技術自身的發展，以在功率和脈寬方面實現更大的突破，同時拓展出更多新的應用領域。紫外激光機的應用，讓 FPC 等材料的精密冷加工成為可能，而 FPC 的逐步增加，推動了 5G 部署，5G 的低延遲特性，給諸如云技術、物聯網、無人駕駛、VR 等新一波的技術發展提供了無限生機。當然這是個相輔相成的概念，新技術新應用也最終會拉動紫外激光的進一步發展。

隨著越來越多的新型的倍頻晶體和增益介質的出現，越短波長功率越高的紫外激光器將在未來應用于更多的行業，促進各行各業的發展，紫外激光在加工領域更加智能、高效精準、高重復率、高穩定性是未來發展的趨勢。