Способы накачки Эксимерных лазеров

     Эксимерный лазер — разновидность ультрафиолетового газового лазера, широко применяемая вглазной хирургии (Кератэктомия) и полупроводниковом производстве.

     Класс импульсных газовых лазеров, объединенных названием ”эксимерные” возник сравнительно недавно, в начале 70-ых годов. В настоящее время эксимерные лазеры на галогенидах благородных газов являются наиболее мощными источниками когерентного излучения в УФ-области спектра, генерация получена на большом количестве длин волн от вакуумного ультрафиолета до видимой области спектра.

     Данный  класс газовых лазеров работает на переходах эксимерных молекул (которые существуют только в возбуждённых состояниях – XeCl, KrF, ArF, и др.). Лазеры, работающие на переходах данных молекул наиболее эффективны и хорошо изучены. Выходная энергия таких лазеров достигает нескольких сот джоулей при КПД до 10% . Ещё одним достоинством данного класса лазеров является то, что они эффективно работают при различных способах накачки, а системы накачки являются универсальными для получения генерации на различных молекулах при замене рабочей смеси.

     Перечисленные достоинства обуславливают широкую  область применения эксимерных лазеров. Они используются для накачки лазеров красителях (лучших источников перестраиваемого когерентного излучения видимого диапазона), травление кремневых матриц при обработке материалов высокой степени частоты, разделения изотопов. Перестраиваемое излучение эксимерных лазеров может использоваться в селективной технологии для получения особо чистых веществ, для изучения воздействия на биохимические процессы. Но основное применение эксимерных лазеров – это возможность их использования для поиска качественно новых эффектов, не достижимых с обычными источниками света, для детального изучения нелинейных спектроскопических явлений, тонкострунных спектров сложных молекул, для исследования лазерно-индуцированных процессов.

     Известно, что для эксимерных лазеров требуется относительно высокий уровень интенсивности накачки. В электроразрядных эксимерных лазерах интенсивность накачки составляет от нескольких десятых до нескольких сотых единиц МВт/см3 причём, для различных типов эксимерных лазеров оптимальные значения этого параметра, определяемые с точки зрения максимальной эффективной накачки, существенно различны.

     Лазерное  излучение эксимерной молекулы происходит вследствие того, что она имеет «притягивающее» (ассоциативное) возбуждённое состояние и «отталкивающее» (не ассоциативное) основное — то есть молекул в основном состоянии не существует. Это объясняется тем, что благородные газы, такие как ксенон или криптон высокоинертны и обычно не образуют химических соединений.  В возбуждённом состоянии (вызванном электрическим разрядом), они могут образовывать молекулы друг с другом (димеры) или с галогенами, такими как фтор или хлор. Поэтому появление молекул в возбуждённом связанном состоянии автоматически создаёт инверсию населённостей между двумя энергетическими уровнями. Такая молекула, находящаяся в возбуждённом состоянии, может отдать свою энергию в виде спонтанного или вынужденного излучения, в результате чего молекула переходит в основное состояние, а затем очень быстро (в течение пикосекунд) распадается на составляющие атомы.

     Несмотря  на то, что термин димер относится только к соединению одинаковых атомов, а в большинстве эксимерных лазеров используются смеси благородных газов с галогенами, название прижилось и используется для всех лазеров аналогичной конструкции. 

Таблица 1. Длины волн эксимерных лазеров. 

Эксимерные лазеры обычно работают в импульсном режиме с частотой 100 Гц и длиной импульса около 10 нс, иногда эти значения могут достигать 200 Гц и 30 нс. Мощное ультрафиолетовое излучение таких лазеров позволяет их широко применять в хирургии (особенно глазной), в процессах литографии в полупроводниковом производстве, а также в дерматологии. Сегодня эти устройства довольно громоздки, что является недостатком при широком медицинском применении (см. LASIK), однако их размеры постоянно уменьшаются благодаря современным разработкам 
 
 

Применение

Фотолизное возбуждение лазерных сред

      Фотолизное возбуждение лазерной среды представляет собой случай, когда используется эксимерное излучение в некогерентном виде. В этом случае источник фотонов, возбуждаемый каким-либо способом (например, накачка электронным пучком, разрядом или их комбинацией) посылает излучение через окно в поглощающую активную среду.

      Фотолизное возбуждение используется по трем основным причинам. Во-первых, такое возбуждение происходит без участия электронов. С помощью эксимерных систем может быть осуществлена как оптическая накачка (твердотельные и жидкостные лазеры), так и лазерная накачка (лазеры на красителях и мощных твердотельных систем).

      Во-вторых, оптическая накачка может иметь  преимущества в случае накопительных  лазеров. Импульс излучения может  быть сжат со времени накачки до времени высвечивания. Один из самых  эффективных процессов получения  возбужденных частиц - фотодиссоциация.

      В-третьих, оптическая накачка эксимерными лазерами может быть отрегулирована по частоте. Это существенно для резонансно-накачиваемых твердотельных систем.

      С помощью таких методов как  оптическая накачка другой лазерной среды, вынужденное комбинационное рассеяние и параметрическое  преобразование можно значительно  расширить возможности перестройки  частоты излучения эксимерных лазеров (например, на галогенидах инертных газов). Для оптической накачки обычно используют лазеры на красителях, поскольку они могут непрерывно перестраиваться в широком диапазоне длин волн. Стоит отметить, что при этом краситель подвергается значительно меньшему разрушению, чем при накачке импульсной лампой.

      Вынужденное комбинационное рассеяние применялось  для получения сдвига волны в ArF-, KrF - и XeF-лазерах. Использование околорезонансного комбинационного рассеяния в парах бария позволило перестроить длину волны XeF-лазера с 351 нм на 585 нм, причем КПД преобразования составил 80%. Благодаря тому, что исходное лазерное излучение не находится в резонансе с рассеивающей средой, усиление на смещенной вследствие комбинационного рассеяния длине волны почти такое же, как и усиление на исходной длине волны, в результате чего наблюдаются последовательно сдвинутые линии излучения. Таким образом, любая комбинация лазера и рассеивающей среды позволяет получить несколько линий излучения. 
 

Хирургия 

LASIK (акроним Laser-Assisted in Situ Keratomileusis — «лазерный кератомилёз»)— современный вид коррекции зрения при помощи эксимерного лазера. Данная операция позволяет исправить различные нарушения зрения: дальнозоркость (до +4 диоптрий), близорукость (до −15 диоптрий), астигматизм (до ±3 диоптрий). Операция практически безболезненна, выполняется быстро и позволяет вернуть человеку нормальное зрение 

     Фоторефракционная кератэктомия— воздействие на роговицу глаза, заключающееся в удалении путем испарения (абляции) поверхностного слоя роговицы. Проводится с целью достижения рефракционного эффекта за счет изменения кривизны внешней поверхности роговицы. Выполняется с помощью эксимерного лазера.

     Особенности операции - Роговица глаза имеет слоистую структуру: эпителий, боуменова оболочка, строма, десцеметова оболочка, задний эпителий (эндотелий). Устойчивый рефракционный эффект достигается только при изменении геометрии стромы (основного слоя роговицы). Достижение стромы является серьезной проблемой, поэтому все разновидности ФРК, имея целью абляцию слоев стромы (собственно рефракционный этап операции), различаются способом «прохождения» двух первых слоев: эпителия и боуменовой оболочки. Стандартная «классическая» ФРК в качестве первого этапа операции предполагает просто механическое удаление (скарификацию) эпителия и боуменовой мембраны^[1]. Есть варианты комбинации химического и механического удаления эпителия, называемые LASEK, эпи-LASEK^[2]. При этом время, затрачиваемое на данную процедуру, занимает больше половины всего времени операции

     Рис. 1.Структура роговицы.

     Наиболее щадящей процедурой деэпителизации является абляция эпителия эксимерным лазером с широким лучом, захватывающим сразу всю зону операции (широкоапертурный лазер). В этом случае за минимальное время слои роговицы, предшествующие строме, просто исчезают (холодная абляция), оставляя исключительно ровный край зоны операции. Переход от этапа деэпителизации к рефракционному этапу фиксируется хирургом, визуально наблюдающим за появлением стромы в зоне операции (характер свечения стромальной ткани в лучах подсветки при лазерном воздействии отличается от свечения эпителия и боуменовой мембраны). Для стороннего наблюдателя этот переход просто незаметен. Уменьшение травматичности и отсутствие механических дефектов стромы и края зоны операции при проведении деэпителизации влечет за собой существенное улучшение качества послеоперационного зрения и резко снижает вероятность осложнений. 

     .

Фотолитография

      Фотолитография - метод нанесения рисунка на тонкую пленку материала. Минимальный размер детали рисунка определяется дифракционным  пределом.

      В процессе фотолитографии на толстую  подложку (часто кремниевую) наносится  тонкий слой материала, из которого нужно  сформировать рисунок. На этот слой наносится  фоторезист (материал, изменяющий свои фотохимические свойства при облучении светом). Далее производится экспонирование через фотошаблон (пластину, прозрачную для видимого света, с рисунком, выполненным непрозрачным красителем). Облученные участки фоторезиста изменяют свою растворимость, и их можно удалить с помощью травления. Освобожденные от фоторезиста участки тоже удаляются. В завершении производится удаление остатков фоторезиста.

      Рис. 2. Микроструктура, полученная фотолитографическим методом

      В случае получения недостаточно малых  размеров создаваемых лазером пятен  возможно применение технологии иммерсионной фотолитографии. Основным отличием технологии является тот факт, что между проекционной системой и кремниевой пластиной  помещается слой жидкости с коэффициентом  преломления большим, нежели у газовой  смеси. Зачастую для этих целей используется обыкновенная очищенная вода.

Накачка

      Для накачки лазеров на основе эксимеров имеется несколько методов, общим требованием к которым является обеспечение большого удельного энерговклада в активную рабочую среду. К числу этих методов относятся: возбуждение пучков высокоэнергетических электронов (электронное возбуждение), возбуждение электрическим разрядом, поддерживаемым электронным пучком (электроразрядные лазеры с электронной предионизацией), возбуждение быстрым поперечным разрядом, оптическое возбуждение (излучение взрывающихся проволочек).

Накачка электронным пучком

      При электронном возбуждении пучок  высокоэнергетических электронов обладает энергией от 300 кэВ до 1 МэВ и выше. Формирование электронного пучка производится отдельной электронной пушкой, а  сам пучок вводится в активный объем лазера, заполненный газовой  смесью, через тонкий слой фольги, разделяющий  вакуумный объем электронной  пушки и рабочий объем лазера, давление в котором обычно превышает  атмосферное. Длительность импульсов  возбуждения обычно составляет несколько  десятков наносекунд, а плотность  тока электронного пучка от нескольких десятков до нескольких сотен ампер  на квадратный сантиметр. При данном методе возбуждения удалось обеспечить генерацию на большинстве из перечисленных  выше активных сред: KrF^*, ArF^*,XeCl^*, XeF^*.