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Un laser excimer est un type de laser puissant qui fonctionne presque toujours dans la région spectrale ultraviolette (UV) (→ lasers ultraviolets) et génère des impulsions nanosecondes.
Le milieu de gain à excimère est un mélange gazeux, contenant typiquement un gaz noble (gaz rare) (par exemple argon, krypton ou xénon) et un halogène (par exemple fluor ou chlore, par exemple sous forme de HCl), outre l’hélium et/ou le néon comme gaz tampon.Un milieu de gain excimère est pompé avec de courtes impulsions de courant (nanosecondes) dans une décharge électrique à haute tension (ou parfois avec un faisceau d’électrons), ce qui crée ce que l’on appelle des excimères (dimères excités) – des molécules qui représentent un état lié de leurs constituants uniquement dans l’état électronique excité, mais pas dans l’état électronique de base (au sens strict, un dimère est une molécule constituée de deux atomes égaux, mais le terme excimère est normalement compris comme incluant également les molécules asymétriques telles que XeCl). Le terme de lasers à halogénures de gaz rares serait en fait plus approprié, et le terme de laser exciplex est parfois utilisé.)Après une émission stimulée ou spontanée, l’excimère se dissocie rapidement, de sorte que la réabsorption du rayonnement généré est évitée.Cela permet d’obtenir un gain assez élevé même pour une concentration modérée d’excimères.
Comme les lasers excimères utilisent des molécules comme milieu de gain, ils peuvent donc en principe être appelés lasers moléculaires, bien que ce terme soit généralement utilisé pour les lasers utilisant des molécules stables.
Différents types de lasers excimères émettent généralement à des longueurs d’onde comprises entre 157 et 351 nm :
| Excimer | Longueur d’onde |
|---|---|
| F2 (fluor) | 157 nm |
| ArF (fluorure d’argon) | 193 nm |
| KrF (fluorure de krypton) | 248 nm |
| XeBr (bromure de xénon) | 282 nm |
| XeCl (chlorure de xénon) | 308 nm |
| XeF (fluorure de xénon) | 351 nm |
Pour diverses de ces longueurs d’onde, on a développé des optiques excimères spécialisées (optiques ultraviolettes) qui doivent présenter une qualité optique élevée et notamment une très grande résistance à la lumière ultraviolette intense.
Les lasers excimères typiques émettent des impulsions avec une fréquence de répétition allant jusqu’à quelques kilohertz et des puissances de sortie moyennes comprises entre quelques watts et des centaines de watts, ce qui en fait les sources laser les plus puissantes dans la région ultraviolette, en particulier pour les longueurs d’onde inférieures à 300 nm.L’efficacité de la prise murale varie normalement entre 0.2 % et 5 % ; un rendement nettement supérieur est possible avec le pompage par faisceau d’électrons.
Durée de vie de l’appareil
Les premiers lasers excimères avaient une durée de vie limitée en raison de divers problèmes, découlant par exemple de la nature corrosive des gaz utilisés et de la contamination du gaz par des sous-produits chimiques et des poussières créées par la décharge électrique.D’autres problèmes sont l’ablation du matériau des électrodes et la puissance de crête élevée des impulsions de courant requises, qui permettaient souvent aux interrupteurs à thyratron de ne durer que quelques semaines ou quelques mois. l’utilisation de matériaux résistants à la corrosion, de systèmes avancés de recirculation et de purification des gaz, et de commutateurs haute tension à l’état solide, a atténué les défis du concept de laser à excimère dans une large mesure.La durée de vie des lasers à excimère modernes est maintenant limitée par celle de l’optique ultraviolette, qui doit supporter des flux élevés de rayonnement à courte longueur d’onde, à quelque chose de l’ordre de quelques milliards d’impulsions.
Applications des lasers excimères
Les courtes longueurs d’onde dans la région spectrale de l’ultraviolet rendent possibles un certain nombre d’applications :
- la génération de motifs très fins avec des méthodes photolithographiques (microlithographie), par exemple dans la production de puces à semi-conducteurs
- le traitement des matériaux par laser avec ablation ou découpe par laser (par ex. sur les polymères), en exploitant les très courtes longueurs d’absorption de l’ordre de quelques micromètres dans de nombreux matériaux, de sorte qu’une fluence d’impulsion modérée de quelques joules par centimètre carré est suffisante pour l’ablation
- dépôt par laser pulsé
- marquage et microstructuration par laser de verres et de plastiques
- fabrication de réseaux de Bragg à fibres
- ophtalmologie (chirurgie oculaire), notamment pour la correction de la vision par remodelage de la cornée avec des lasers ArF à 193 nm ; les méthodes courantes sont la kératomileusis in situ au laser (LASIK) et la kératectomie photoréfractive (PRK)
- traitement du psoriasis avec des lasers XeCl à 308 nm
- pompage d’autres lasers, par ex.La photolithographie dans la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs est une application d’importance majeure. Ici, les photoréserves sur les plaquettes de semi-conducteurs traitées sont irradiées par une lumière ultraviolette de grande puissance à travers des photomasques structurés.La lumière UV à haute puissance, telle qu’elle peut être générée par des lasers excimères, est essentielle pour obtenir des temps de traitement courts et, par conséquent, un débit élevé, tandis que les courtes longueurs d’onde permettent de fabriquer des structures très fines (avec des techniques optimisées, même bien en dessous de la longueur d’onde optique).Cependant, les derniers développements en matière de lithographie exigent des longueurs d’onde encore plus courtes dans l’ultraviolet extrême (EUV), par exemple à 13,5 nm, qui ne peuvent plus être produites avec les lasers excimers, et certaines sources de plasma générées par laser sont développées comme successeurs des lasers excimers dans ce domaine.Il faut tout de même s’attendre à ce que les lasers excimères soient utilisés pour la fabrication de nombreuses puces à semi-conducteurs pendant longtemps encore, car seules les puces informatiques les plus avancées nécessitent des structures encore plus fines que celles possibles avec ces techniques.
Sécurité du laser
Notez que les lasers excimères soulèvent divers problèmes de sécurité, liés à l’utilisation de tensions élevées, à la manipulation de gaz toxiques (halogènes) et au risque de provoquer des cancers de la peau et des lésions oculaires par irradiation avec des rayons ultraviolets.
Lampes à excimères
Il existe également des lampes à excimères qui utilisent fondamentalement le même type de décharge gazeuse avec génération d’excimères que les lasers à excimères, mais elles ne contiennent pas de résonateur laser et n’exploitent donc que l’émission spontanée.Certaines d’entre elles fonctionnent en mode continu plutôt qu’avec une décharge pulsée.Elles peuvent être utilisées comme sources de lumière ultraviolette, mais avec une émission diffuse dans l’espace au lieu d’un faisceau de sortie bien dirigé.
Fournisseurs
Le guide de l’acheteur de RP Photonics contient 13 fournisseurs de lasers excimères. Parmi eux:
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Bibliographie
| F. G. Houtermans, « Über Massen-Wirkung im optischen Spektralgebiet und die Möglichkeit absolut negativer Absorption für einige Fälle von Molekülspektren (Licht-Lawine) », Helv. Phys. Acta 33, 933 (1960) | |
| I. S. Lakoba et S. I. Yakovlenko, « Active media of exciplex lasers (review) », Sov. J. Quantum Electron. 10 (4), 389 (1980), doi:10.1070/QE1980v010n04ABEH01010101 | |
| 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 et G. Marowski (éditeurs), Excimer Laser Technology, Springer, Berlin (2004) |
(Suggérer de la littérature supplémentaire !)
Voir aussi : lasers, lumière ultraviolette, lasers ultraviolets, lasers à gaz, lasers moléculaires, lampes excimères
et autres articles dans la catégorie lasers
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