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Un láser excimer es un potente tipo de láser que casi siempre funciona en la región espectral ultravioleta (UV) (→ láseres ultravioleta) y genera pulsos de nanosegundos.
El medio de ganancia del excímero es una mezcla de gases, que suele contener un gas noble (gas raro) (por ejemplo, argón, criptón o xenón) y un halógeno (por ejemplo, flúor o cloro, por ejemplo, como HCl), además de helio y/o neón como gas tampón.Un medio de ganancia excimer se bombea con pulsos de corriente cortos (nanosegundos) en una descarga eléctrica de alto voltaje (o a veces con un haz de electrones), que crean los llamados excímeros (dímeros excitados), moléculas que representan un estado ligado de sus constituyentes sólo en el estado electrónico excitado, pero no en el estado electrónico básico. (En sentido estricto, un dímero es una molécula formada por dos átomos iguales, pero el término excímero se entiende normalmente para incluir también moléculas asimétricas como el XeCl. En realidad, el término láser de haluro de gas raro sería más apropiado, y a veces se utiliza el término láser de excímero.)Después de la emisión estimulada o espontánea, el excímero se disocia rápidamente, de modo que se evita la reabsorción de la radiación generada.Esto permite conseguir una ganancia bastante alta incluso para una concentración moderada de excímeros.
Como los láseres de excímero utilizan moléculas como medio de ganancia, por lo que en principio pueden llamarse láseres moleculares, aunque el término se suele utilizar para los láseres que utilizan moléculas estables.
Los diferentes tipos de láseres de excímero suelen emitir a longitudes de onda entre 157 y 351 nm:
| Excimer | Longitud de onda |
|---|---|
| F2 (flúor) | 157 nm |
| ArF (fluoruro de argón) | 193 nm |
| KrF (fluoruro de criptón) | 248 nm |
| XeBr (bromuro de xenón) | 282 nm |
| XeCl (cloruro de xenón) | 308 nm |
| XeF (fluoruro de xenón) | 351 nm |
Para varias de esas longitudes de onda, se han desarrollado ópticas excimer especializadas (ópticas ultravioletas), que deben tener una alta calidad óptica y en particular una muy alta resistencia a la luz ultravioleta intensa.
Los láseres de excímero típicos emiten pulsos con una tasa de repetición de hasta unos pocos kilohercios y potencias de salida medias de entre unos pocos vatios y cientos de vatios, lo que los convierte en las fuentes de láser más potentes en la región ultravioleta, en particular para las longitudes de onda por debajo de 300 nm.La eficiencia de los tapones varía normalmente entre el 0La eficiencia de la conexión a la pared varía normalmente entre el 0,2% y el 5%; es posible obtener un rendimiento mucho mayor con el bombeo del haz de electrones.
Vida útil del dispositivo
Los primeros láseres de excímero tenían una vida útil limitada debido a diversos problemas, derivados, por ejemplo, de la naturaleza corrosiva de los gases utilizados y de la contaminación del gas con subproductos químicos y polvo creado por la descarga eléctrica.Otros problemas son la ablación del material de los electrodos y la elevada potencia de pico de los pulsos de corriente necesarios, que a menudo permitían que los interruptores del tiratrón duraran sólo un par de semanas o meses. La vida útil de los láseres de excímero modernos está limitada por la óptica ultravioleta, que tiene que soportar altos flujos de radiación de longitud de onda corta, del orden de unos pocos miles de millones de pulsos.
Aplicaciones de los láseres de excímeros
Las cortas longitudes de onda en la región espectral del ultravioleta hacen posible una serie de aplicaciones:
- la generación de patrones muy finos con métodos fotolitográficos (microlitografía), por ejemplo en la producción de chips semiconductores
- el procesamiento de materiales con láser de ablación o corte por láser (por ejemplo en polímeros), aprovechando las longitudes de absorción muy cortas del orden de unos pocos micrómetros de muchos materiales, de modo que una fluencia de pulso moderada de unos pocos julios por centímetro cuadrado es suficiente para la ablación
- deposición por láser pulsado
- marcado por láser y microestructuración de vidrios y plásticos
- fabricación de rejillas de Bragg de fibra
- oftalmología (cirugía ocular), en particular para la corrección de la visión mediante la remodelación de la córnea con láseres ArF a 193 nm; métodos comunes son la queratomileusis in situ con láser (LASIK) y la queratectomía fotorrefractiva (PRK)
- tratamiento de la psoriasis con láseres de XeCl a 308 nm
- bombear otros láseres, por ejemploLa fotolitografía en la fabricación de dispositivos semiconductores es una aplicación de gran importancia.La luz ultravioleta de alta potencia, como la que puede generarse con los láseres de excímero, es esencial para obtener tiempos de procesamiento cortos y el correspondiente alto rendimiento, mientras que las longitudes de onda cortas permiten fabricar estructuras muy finas (con técnicas optimizadas incluso muy por debajo de la longitud de onda óptica).Sin embargo, los últimos desarrollos en litografía requieren longitudes de onda aún más cortas en el ultravioleta extremo (EUV), por ejemplo a 13,5 nm, que ya no pueden producirse con los láseres de excímero.Aun así, es de esperar que los láseres de excímero se utilicen para fabricar muchos chips semiconductores durante mucho tiempo, ya que sólo los chips informáticos más avanzados requieren estructuras aún más finas que las posibles con dichas técnicas.
Seguridad de los láseres
Tenga en cuenta que los láseres de excímero plantean una serie de problemas de seguridad, relacionados con el uso de altos voltajes, la manipulación de gases venenosos (halógenos) y el riesgo de provocar cáncer de piel y daños oculares por irradiación con luz ultravioleta.
Lámparas de excímero
También existen lámparas de excímero que utilizan básicamente el mismo tipo de descarga de gas con generación de excímero que los láseres de excímero, pero no contienen un resonador láser y, por lo tanto, sólo explotan la emisión espontánea.Algunas de ellas funcionan en modo de onda continua en lugar de con una descarga pulsada.Pueden utilizarse como fuentes de luz ultravioleta, pero con una emisión espacialmente difusa en lugar de un haz de salida bien dirigido.
Proveedores
La Guía del comprador de RP Photonics contiene 13 proveedores de láseres de excímero. Entre ellos:
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Bibliografía
| 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 y 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 y G. Marowski (editores), Excimer Laser Technology, Springer, Berlín (2004) |
(¡Sugiera literatura adicional!)
Vea también: láseres, luz ultravioleta, láseres ultravioleta, láseres de gas, láseres moleculares, lámparas de excímero
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