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Ein Excimerlaser ist eine leistungsstarke Laserart, die fast immer im ultravioletten (UV) Spektralbereich betrieben wird (→ Ultraviolettlaser) und Nanosekundenpulse erzeugt.
Das Excimer-Verstärkungsmedium ist ein Gasgemisch, das typischerweise ein Edelgas (Edelgas) (z. B. Argon, Krypton oder Xenon) und ein Halogen (z. B. Fluor oder Chlor, z. B. als HCl) enthält, abgesehen von Helium und/oder Neon als Puffergas.Ein Excimer-Verstärkungsmedium wird mit kurzen (Nanosekunden-)Strompulsen in einer elektrischen Hochspannungsentladung (oder manchmal auch mit einem Elektronenstrahl) gepumpt, die so genannte Excimere (angeregte Dimere) erzeugen – Moleküle, die einen gebundenen Zustand ihrer Bestandteile nur im angeregten elektronischen Zustand, nicht aber im elektronischen Grundzustand darstellen. (Streng genommen ist ein Dimer ein Molekül, das aus zwei gleichen Atomen besteht, aber unter dem Begriff Excimer werden normalerweise auch asymmetrische Moleküle wie XeCl verstanden. Nach der stimulierten oder spontanen Emission dissoziiert das Excimer schnell, so dass eine Reabsorption der erzeugten Strahlung vermieden wird, so dass schon bei mäßiger Excimerkonzentration eine recht hohe Verstärkung erreicht werden kann.
Da Excimerlaser Moleküle als Verstärkungsmedium verwenden, können sie prinzipiell als Moleküllaser bezeichnet werden, obwohl der Begriff meist für Laser mit stabilen Molekülen verwendet wird.
Die verschiedenen Arten von Excimer-Lasern emittieren typischerweise bei Wellenlängen zwischen 157 und 351 nm:
| Excimer | Wellenlänge |
|---|---|
| F2 (Fluor) | 157 nm |
| ArF (Argonfluorid) | 193 nm |
| KrF (Kryptonfluorid) | 248 nm |
| XeBr (Xenonbromid) | 282 nm |
| XeCl (Xenonchlorid) | 308 nm |
| XeF (Xenonfluorid) | 351 nm |
Für verschiedene dieser Wellenlängen, wurden spezielle Excimeroptiken (Ultraviolettoptiken) entwickelt, die eine hohe optische Qualität und insbesondere eine sehr hohe Beständigkeit gegenüber dem intensiven ultravioletten Licht aufweisen müssen.
Typische Excimerlaser emittieren Pulse mit einer Wiederholrate von bis zu einigen Kilohertz und mittleren Ausgangsleistungen zwischen einigen Watt und Hunderten von Watt, was sie zu den leistungsstärksten Laserquellen im ultravioletten Bereich macht, insbesondere für Wellenlängen unter 300 nm.Die Wall-Plug-Effizienz schwankt normalerweise zwischen 0.
Lebensdauer der Geräte
Frühe Excimerlaser hatten eine begrenzte Lebensdauer, was auf eine Reihe von Problemen zurückzuführen ist, z.B. auf die korrosive Natur der verwendeten Gase und auf die Verunreinigung des Gases mit chemischen Nebenprodukten und Staub, der durch die elektrische Entladung entsteht.Weitere Probleme sind der Materialabtrag von den Elektroden und die hohe Spitzenleistung der erforderlichen Stromimpulse, die den Thyratron-Schaltern oft nur eine Lebensdauer von einigen Wochen oder Monaten bescherte. Die Lebensdauer moderner Excimer-Laser ist heute durch die Ultraviolett-Optik, die hohen Strömen kurzwelliger Strahlung standhalten muss, auf einige Milliarden Pulse begrenzt.
Anwendungen von Excimer-Lasern
Die kurzen Wellenlängen im ultravioletten Spektralbereich ermöglichen eine Reihe von Anwendungen:
- die Erzeugung sehr feiner Muster mit photolithographischen Methoden (Mikrolithographie), z.B. in der Halbleiterchip-Herstellung
- Lasermaterialbearbeitung mit Laserablation oder Laserschneiden (z.B. auf Polymeren), wobei die sehr kurzen Absorptionslängen in der Größenordnung von wenigen Mikrometern in vielen Materialien ausgenutzt werden, so dass eine moderate Pulsfluenz von einigen Joule pro Quadratzentimeter für die Ablation ausreicht
- gepulste Laserabscheidung
- Lasermarkierung und Mikrostrukturierung von Gläsern und Kunststoffen
- Fertigung von Faser-Bragg-Gittern
- Ophthalmologie (Augenchirurgie), insbesondere zur Sehkorrektur durch Hornhautumformung mit ArF-Lasern bei 193 nm; Gängige Verfahren sind die Laser-in-situ-Keratomileusis (LASIK) und die photorefraktive Keratektomie (PRK)
- Psoriasis-Behandlung mit XeCl-Lasern bei 308 nm
- Pumpen anderer Laser, z.z. B. bestimmte Farbstofflaser
- Treiber für die Kernfusion
Eine wichtige Anwendung ist die Fotolithografie in der Halbleiterfertigung, bei der Fotolacke auf bearbeiteten Halbleiterscheiben durch strukturierte Fotomasken mit leistungsstarkem UV-Licht bestrahlt werden.Leistungsstarkes UV-Licht, wie es mit Excimer-Lasern erzeugt werden kann, ist eine wesentliche Voraussetzung für kurze Bearbeitungszeiten und einen entsprechend hohen Durchsatz, während die kurzen Wellenlängen die Herstellung sehr feiner Strukturen (mit optimierten Techniken sogar weit unterhalb der optischen Wellenlänge) ermöglichen.Die neuesten Entwicklungen in der Lithographie erfordern jedoch noch kürzere Wellenlängen im extremen Ultraviolett (EUV), z.B. bei 13,5 nm, die mit Excimer-Lasern nicht mehr erzeugt werden können, und es werden bestimmte lasergenerierte Plasmaquellen als Nachfolger für Excimer-Laser in diesem Bereich entwickelt.Es ist jedoch zu erwarten, dass Excimerlaser noch lange Zeit für die Herstellung vieler Halbleiterchips verwendet werden, da nur die fortschrittlichsten Computerchips noch feinere Strukturen erfordern, als mit diesen Techniken möglich sind.
Laser-Sicherheit
Bei Excimerlasern ist zu beachten, dass sie eine Reihe von Sicherheitsfragen aufwerfen, die mit der Verwendung hoher Spannungen, dem Umgang mit giftigen Gasen (Halogenen) und dem Risiko von Hautkrebs und Augenschäden durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht zusammenhängen.
Excimer-Lampen
Es gibt auch Excimer-Lampen, die im Grunde die gleiche Art von Gasentladung mit Excimer-Erzeugung verwenden wie Excimer-Laser, aber sie enthalten keinen Laserresonator und nutzen daher nur die spontane Emission.Sie können als ultraviolette Lichtquellen verwendet werden, allerdings mit räumlich diffuser Emission anstelle eines gut gerichteten Ausgangsstrahls.
Lieferanten
Der RP Photonics Buyer’s Guide enthält 13 Lieferanten für Excimer-Laser. Darunter:
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Bibliographie
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| I. S. Lakoba und S. I. Yakovlenko, „Active media of exciplex lasers (review)“, Sov. J. Quantum Electron. 10 (4), 389 (1980), doi:10.1070/QE1980v010n04ABEH010101 | |
| J. J. Ewing, „Excimer laser technology development“, JSTQE 6 (6), 1061 (2000), doi:10.1109/2944.902155 | |
| Ch. K. Rhodes (Editor), Excimer Lasers, 2nd edition, Springer, Berlin (1998) | |
| D. Basting and G. Marowski (Editors), Excimer Laser Technology, Springer, Berlin (2004) |
(Weitere Literatur vorschlagen!)
Siehe auch: Laser, ultraviolettes Licht, Ultraviolettlaser, Gaslaser, Moleküllaser, Excimerlampen
und andere Artikel in der Kategorie Laser
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