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エキシマレーザーは、ほぼ常に紫外線(UV)スペクトル領域で動作し(→紫外線レーザー)、ナノ秒パルスを生成する強力なレーザーの一種です。
エキシマ利得媒体は、バッファガスとしてのヘリウムおよび/またはネオンとは別に、典型的には希ガス(希ガス)(例えばアルゴン、クリプトン、またはキセノン)およびハロゲン(例えばフッ素または塩素、例えばHClとして)含むガス混合体である。エキシマ利得媒体は、高電圧放電(または電子ビーム)による短時間(ナノ秒)の電流パルスで励起され、いわゆるエキシマー(励起二量体)、すなわち電子基底状態ではなく、励起電子状態でのみ構成要素の結合状態を表す分子を生成する(厳密に言えば、二量体は2つの等しい原子からなる分子であるが、通常、用語エキシマーにはXeClなどの非対称分子も含まれると理解される)。 このため、中程度の濃度のエキシマレーザーでも高い利得を得ることができる。
異なるタイプのエキシマレーザーは、通常157~351nmの波長で発振します。
Excimer | 波長 |
---|---|
F2(フッ素) | 157 nm |
ArF(フッ化アルゴン) | 193 nm |
KrF(フッ化クリプトン) | 248 nm |
XeBr(臭化キセノン) | 282 nm |
XeCl(Xenon chloride) | 308 nm nm |
XeF (xenon fluoride) | 351 nm |
これらの波長の様々なものに対応します。 エキシマ光学系(紫外光学系)は、高い光学品質が要求され、特に強い紫外線に対して非常に高い耐性を持つ光学系が開発されています。
代表的なエキシマレーザーは、最大数キロヘルツの繰り返し周波数と数ワットから数百ワットの平均出力でパルスを発し、紫外線領域、特に300 nm以下の波長では最も強力なレーザー光源となっています。
Device Lifetime
初期のエキシマレーザーは、使用するガスの腐食性、化学副産物によるガスの汚染、放電によるダストなど、さまざまな問題から寿命が制限されることがありました。また、電極のアブレーションや電流パルスのピークパワーが大きいため、サイラトロンスイッチの寿命は数週間から数カ月にとどまることもあった。 しかし、耐腐食性材料の使用、高度なガス再循環・精製システム、固体高電圧スイッチなどを含む多くのエンジニアリングにより、エキシマレーザーのコンセプトの課題はかなりの程度まで軽減された。現代のエキシマレーザーの寿命は、短波長の高フラックスに耐えなければならない紫外線光学系の寿命により、数億パルスというオーダーに制限されている。
エキシマレーザの応用
紫外域の短波長により、多くの応用が可能になります:
- フォトリソグラフィーによる微細パターンの生成(マイクロリソグラフィー)、たとえば半導体チップ製造
- レーザーによるアブレーションまたはレーザー切断(例:レーザー加工)による素材加工。 多くの材料が数マイクロメートルのオーダーで非常に短い吸収長を持つことを利用し、高分子材料のレーザー加工(例えば、ポリマー上)。 そのため、1平方センチメートルあたり数ジュールの適度なパルス照射で、アブレーション
- パルスレーザー堆積法
- ガラスやプラスチックのレーザーマーキングや微細加工
- ファイバブラッググレーティングの作製
- 眼科(目の外科)、特に193nmのArFレーザーによる角膜整形による視力矯正に十分である。 一般的な方法は、Laser in-situ keratomileusis (LASIK) およびPhotorefractive keratectomy (PRK)
- 308 nmのXeClレーザによる乾癬治療
- 他のレーザの励起、例.半導体デバイス製造におけるフォトリソグラフィは、非常に重要なアプリケーションのひとつです。エキシマレーザーのような高出力紫外光は、短い加工時間とそれに伴う高いスループットを得るために不可欠であり、短い波長によって非常に微細な構造を作ることができる(最適化すれば光波長よりもはるかに低い波長でも可能)。しかし、最近のリソグラフィーの発展により、EUV(Extreme Ultraviolet)領域、例えば13.5nmのようなさらに短い波長が必要となり、エキシマレーザーでは製造できなくなった。この領域では、あるレーザー生成プラズマ源がエキシマレーザーの後継として開発されている。それでも、最先端のコンピュータ・チップに限っては、エキシマレーザーの技術よりもさらに微細な構造が要求されるため、今後も多くの半導体チップの製造にエキシマレーザーが使用されると予想される。
エキシマランプ
エキシマランプもあり、基本的にはエキシマレーザーと同じようにエキシマ発生のガス放電を用いているが、レーザー共振器がないため自然放出のみを利用するもので、レーザー発振器はない。
サプライヤー
The RP Photonics Buyer’s Guide にはエキシマレーザーのサプライヤーが13社紹介されています。 その中で、
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参考文献
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I・・・・・・・・ | I. S. Lakoba and S. I. Yakovlenko, “Active media of exciplex lasers (review)”, Sov. J. Quantum Electron. 10 (4), 389 (1980), doi:1070/QE1980v010n04ABEH0101 |
J.S. Lakoba, S. I. Yakovlenko, “Active media of exciplex lasers (review)”, Sov. J. Quantum Electron. 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) | |
(Suggesting additional literature!)
See also: Lasers, ultraviolet light, ultraviolet lasers, gas lasers, molecular lasers, excimer lamps
and other articles in the category lasers
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