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Um laser de excímeros é um poderoso tipo de laser que é quase sempre operado na região espectral ultravioleta (UV) (→ ultravioleta lasers) e gera pulsos de nanossegundos.
O meio de ganho do excimer é uma mistura gasosa, normalmente contendo um gás nobre (gás raro) (por exemplo, argônio, crípton ou xenônio) e um halogênio (por exemplo, flúor ou cloro, por exemplo, como HCl), além do hélio e/ou néon como gás tampão.Um meio de ganho de excímeros é bombeado com impulsos de corrente curtos (nanossegundos) em uma descarga elétrica de alta tensão (ou às vezes com um feixe de elétrons), que criam os chamados excímeros (dímeros excitados) – moléculas que representam um estado ligado de seus constituintes apenas no estado eletrônico excitado, mas não no estado eletrônico terra. (Estritamente falando, um dímero é uma molécula que consiste de dois átomos iguais, mas o termo excímero é normalmente entendido como incluindo moléculas assimétricas, como XeCl também. Após a emissão estimulada ou espontânea, o excimer se dissocia rapidamente, de modo que a reabsorção da radiação gerada é evitada, o que possibilita um ganho bastante alto mesmo para uma concentração moderada de excimer.
As excimer lasers usam moléculas como meio de ganho, podendo, em princípio, ser chamados de lasers moleculares, embora o termo seja normalmente usado para lasers que usam moléculas estáveis.
Diferentes tipos de lasers de excímeros normalmente emitem em comprimentos de onda entre 157 e 351 nm:
| Excimer | Comprimento de onda |
|---|---|
| F2 (flúor) | 157 nm |
| ArF (fluoreto de argônio) | 193 nm |
| KrF (fluoreto de crípton) | 248 nm |
| XeBr (brometo de xénon) | 282 nm |
| XeCl (cloreto de xénon) | 308 nm |
| XeF (fluoreto de xenônio) | 351 nm |
Para vários desses comprimentos de onda, foram desenvolvidas ópticas excimer especializadas (ópticas ultravioletas), que necessitam de ter uma elevada qualidade óptica e, em particular, uma resistência muito elevada à luz ultravioleta intensa.
Lasers de excímeros típicos emitem impulsos com uma taxa de repetição até alguns kilohertz e potências de saída médias entre alguns watts e centenas de watts, o que os torna as fontes laser mais potentes na região ultravioleta, particularmente para comprimentos de onda inferiores a 300 nm.2% e 5%; significativamente mais é possível com o bombeamento de feixes de elétrons.
Vida do dispositivo
Lasers de excímeros precoces tinham vida útil limitada devido a uma variedade de problemas, decorrentes, por exemplo, da natureza corrosiva dos gases utilizados e da contaminação do gás com subprodutos químicos e poeira criada pela descarga elétrica.Outros desafios são a ablação do material dos eletrodos e a alta potência de pico dos pulsos de corrente necessários, o que muitas vezes permitiu que os interruptores de tiratron durassem apenas algumas semanas ou meses. O uso de materiais resistentes à corrosão, sistemas avançados de recirculação e purificação de gás e interruptores de alta tensão de estado sólido, mitigou significativamente os desafios do conceito de laser de excímeros. A vida útil dos modernos lasers de excímeros é agora limitada pela da óptica ultravioleta, que tem que suportar altos fluxos de radiação de comprimento de onda curto, a algo da ordem de alguns bilhões de pulsos.
Aplicações do laser de excímeros
Os comprimentos de onda curtos na região espectral ultravioleta tornam possível uma série de aplicações:
- a geração de padrões muito finos com métodos fotolitográficos (microlitografia), por exemplo na produção de chips semicondutores
- processamento de material laser com ablação ou corte a laser (por exemplo em polímeros), explorando os comprimentos de absorção muito curtos da ordem de alguns micrómetros em muitos materiais, para que uma fluência de pulso moderada de alguns joules por centímetro quadrado seja suficiente para a ablação
- deposição de laser pulsado
- marcação laser e microestruturação de vidros e plásticos
- fabricação de grades de Bragg de fibra
- ofotalmologia (cirurgia ocular), particularmente para correção da visão por remodelação da córnea com lasers ArF a 193 nm; métodos comuns são o laser in-situ keratomileusis (LASIK) e a keratectomia fotorefractiva (PRK)
- tratamento da psoríase com lasers XeCl a 308 nm
- bombeamento de outros lasers, e.g. certos lasers de corantes
- condutores para fusão nuclear
Fotolitografia na fabricação de dispositivos semicondutores é uma aplicação de grande importância. Aqui, fotorresistências em bolachas semicondutoras processadas são irradiadas com luz ultravioleta de alta potência através de fotomáscaras estruturadas.A luz UV de alta potência, como pode ser gerada com lasers de excímeros, é essencial para a obtenção de tempos de processamento curtos e, consequentemente, de alto rendimento, enquanto os comprimentos de onda curtos permitem fabricar estruturas muito finas (com técnicas otimizadas mesmo muito abaixo do comprimento de onda óptico).No entanto, os últimos desenvolvimentos em litografia requerem comprimentos de onda ainda mais curtos no ultravioleta extremo (EUV), por exemplo, a 13,5 nm, que não podem mais ser produzidos com lasers de excímeros. Certas fontes de plasma geradas a laser são desenvolvidas como os sucessores dos lasers de excímeros nessa área.Ainda assim, é de se esperar que os lasers de excímeros sejam usados para fabricar muitos chips semicondutores por muito tempo, pois apenas os chips de computador mais avançados requerem estruturas ainda mais finas do que é possível com tais técnicas.
Laser Safety
Notem que os lasers de excímeros levantam uma variedade de questões de segurança, relacionadas ao uso de altas voltagens, ao manuseio de gases venenosos (halogênios) e ao risco de causar câncer de pele e danos aos olhos pela irradiação com luz ultravioleta.
Lâmpadas de excímeros
Há também lâmpadas de excímeros que utilizam basicamente o mesmo tipo de descarga de gás com geração de excímeros que os lasers de excímeros, mas que não contêm um ressonador laser e assim exploram apenas a emissão espontânea.Algumas delas são operadas em modo de onda contínua e não com descarga pulsada, podendo ser utilizadas como fontes de luz ultravioleta, mas com emissão espacialmente difusa em vez de um feixe de saída bem direcionado.
Fornecedores
O Guia do Comprador da RP Photonics contém 13 fornecedores de lasers de excímeros. Entre eles:
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Bibliografia
| 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 e 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 technology development”, JSTQE 6 (6), 1061 (2000), doi:10.1109/2944.902155 | |
| Ch. K. Rhodes (Editor), Excimer Lasers, 2ª edição, Springer, Berlin (1998) | |
| D. Basting e G. Marowski (Editores), Excimer Laser Technology, Springer, Berlin (2004) |
(Sugerir literatura adicional!)
Veja também: lasers, luz ultravioleta, lasers ultravioleta, lasers a gás, lasers moleculares, lâmpadas de excímeros
e outros artigos da categoria lasers
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