Kompakte Ultraviolettlaser finden auf beiden Seiten der 300-nm-Wellenlänge zunehmend Anwendung in der analytischen Messung bzw. Materialbearbeitung.

 

HANK HOGAN, MITARBEITENDER HERAUSGEBER

 

Bei kompakten UV-Lasern könnten Fortschritte in Technologie und Anwendungen im wahrsten Sinne des Wortes keine Grenzen setzen. Als beispielsweise der Perseverance-Rover der NASA im Februar auf dem Mars landete, trug er als Teil seiner Scan-Instrumentierung einen Tief-UV-Laser von Photon Systems. Der Metalldampflaser ermöglicht die Kartierung von Fluoreszenzemissionen und Raman-Streuung von organischen Stoffen und Mineralien, um die Suche des Rovers nach Spuren von Leben zu unterstützen.

Hochgeschwindigkeitsbohren und -schneiden von Elektronik mit einem 80-W-UV-Hybridfaserlaser. Mit freundlicher Genehmigung von MKS Instruments.

 

Hochgeschwindigkeitsbohren und -schneiden von Elektronik mit einem 80-W-UV-Hybridfaserlaser. Mit freundlicher Genehmigung von MKS Instruments.

 

Photon Systems-Laser verwenden Heliumsilber oder Neonkupfer als Lasermedium für die Emission bei 224 bzw. 248 nm. Letztere Technologie kam bei der Mars-Mission zum Einsatz. Seine Emission ist schmal und stabil, aber aufgrund von Einschränkungen der Strahlqualität beträgt die minimale Fokusgröße nur ~3 µm. Bei einer Spitzenleistung von 100 mW hätten diese Quasi-CW-Laser mit 50 µs breiten Pulsen nicht die nötige Leistung für die Materialbearbeitung, sind aber für Messanwendungen brauchbar.

 

Geoffrey Randolph, Vertriebs- und Marketingleiter von Photon Systems, sagte, der Laser des Unternehmens biete einen wichtigen Vorteil für die Marsmission: Das Licht, das die Raman-Emission in einem Material anregt, verursacht auch Fluoreszenz, die normalerweise das schwache Raman-Signal übertönen kann. In der Raman-Emissionszone knapp über der Laserwellenlänge von 248 nm fluoresziert jedoch nichts. „Obwohl es sich um einen Laser mit sehr kurzer Wellenlänge handelt, ist sein Raman-Signal paradoxerweise fluoreszenzfrei“, sagte Randolph.

 

Der Perseverance-Rover der NASA landete im Februar auf dem Mars, mit einem SHERLOC-Instrumentenpaket (Scanning Habitable Environments with Raman & Lumineszenz for Organics & Chemicals) an seinem entfernten Arm. Diese Instrumente basieren teilweise auf einem 248-nm-UV-Laser, der eine Schlüsselrolle bei der Suche nach Zeichen vergangenen oder gegenwärtigen Lebens spielt. Mit freundlicher Genehmigung der NASA.

 

Der Perseverance-Rover der NASA landete im Februar auf dem Mars, mit einem SHERLOC-Instrumentenpaket (Scanning Habitable Environments with Raman & Lumineszenz for Organics & Chemicals) an seinem entfernten Arm. Diese Instrumente basieren teilweise auf einem 248-nm-UV-Laser, der eine Schlüsselrolle bei der Suche nach Zeichen vergangenen oder gegenwärtigen Lebens spielt. Mit freundlicher Genehmigung der NASA.

 

Von beiden ist die Fluoreszenz ein weitaus empfindlicheres Analyseinstrument, doch mit der Raman-Spektroskopie lässt sich eine Substanz leichter von einer anderen unterscheiden. Die Kombination der beiden Techniken in einem kleinen, tragbaren Instrument trug dazu bei, das Gewicht des Rovers zu minimieren. Es könnte aber auch in der Fertigung, in der Umweltanalyse und in öffentlichen Versorgungsbetrieben nützlich sein.

 

Insbesondere Versorgungsunternehmen, sagte Randolph, prüfen aufgrund der wachsenden Nachfrage und drohender Versorgungsengpässe die direkte Wiederverwendung von aufbereitetem Abwasser. Eine solche schnelle Wiederverwendung von Abwasser erfordert eine entsprechend schnelle Methode, um festzustellen, ob Schadstoffe oder Krankheitserreger vorhanden sind. Ein Mittel hierfür könnten UV-Laser sein.

 

„Tiefen-UV-Fluoreszenz und Raman haben möglicherweise die Fähigkeit, pathologische Viren und Bakterien zu analysieren und zu unterscheiden“, sagte er.

 

Laut einer Umfrage von Market Reports World vom August 2021 bilden die UV-Laser von Photon Systems und anderen Anbietern einen Markt, der zwischen 2021 und 2027 voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 8,31 % wachsen wird.

 

Ein Laser mit 266 nm Wellenlänge in einem Labor-Raman-Spektroskopie-Aufbau. Kompakte Tief-UV-Laser könnten leistungsschwächere und tragbarere Systeme zur Fernerkennung von Sprengstoffen ermöglichen. Mit freundlicher Genehmigung von UVC Photonics.

 

Ein Laser mit 266 nm Wellenlänge in einem Labor-Raman-Spektroskopie-Aufbau. Kompakte Tief-UV-Laser könnten leistungsschwächere und tragbarere Systeme zur Fernerkennung von Sprengstoffen ermöglichen. Mit freundlicher Genehmigung von UVC Photonics.

 

Zu den Anwendungen für diese Quellen gehören die Materialverarbeitung und -messung, wobei eine grobe Trennlinie zwischen Anwendungen und Technologien bei ~300 nm liegt. Unterhalb dieses Punktes, wo die Laserleistung typischerweise geringer ist, dominieren Messanwendungen. Oberhalb dieses Punktes bieten Laser eine höhere Leistung und können Markieren, Bohren, Schneiden und andere immer wichtiger werdende Mikrobearbeitungsfunktionen ermöglichen.

 

„Da die Unterhaltungselektronik auf immer kleinere Geräte umsteigt und immer mehr Dinge auf Ihr Telefon passen, werden UV-Laser immer wichtiger. Das Gleiche gilt auch für andere Bereiche wie die Automobil- und Solarbranche“, sagte Herman Chui, Senior Director of Marketing bei MKS Instruments.

 

Architekturen und Anwendungen

 

Die Light and Motion-Abteilung von MKS stellt eine Reihe von gepulsten, kontinuierlichen (CW) und Quasi-CW-UV-Lasern her. Zur letztgenannten Kategorie gehören Laser, die kurze Impulse mit so hohen Wiederholungsraten aussenden, dass sie in der Praxis wie Dauerstriche wirken, da die Zeitkonstanten für eine Anwendung länger sind als die Zeit zwischen den Impulsen

 

Der UV-Laser von MKS Instruments konzentriert sich auf Emissionswellenlängen von etwa 349 bis 355 nm. Die Laser des Unternehmens liefern eine durchschnittliche Singlemode-Leistung von bis zu 80 W.

 

Bei der Anwendung auf die UV-basierte Mikrobearbeitung bietet die Technologie Vorteile beim Bohren kleiner, eng beieinander liegender Löcher oder bei der Durchführung anderer Materialbearbeitungen mit engen Spezifikationen. Beispielsweise ermöglicht es eine minimale Fokuspunktgröße, die mit der Wellenlänge kleiner wird. Darüber hinaus absorbieren die meisten Materialien UV-Strahlung stark, was dazu führt, dass die Wärmeeinflusszone des Strahls tendenziell kleiner und flacher ist.

 

UV-Laser sind möglicherweise die beste Möglichkeit, die immer feineren Löcher und Merkmale in Leiterplatten mikrobearbeitet zu machen, da die Komponenten auf der Platine immer dichter gepackt sind. Ein UV-Laser-basierter Ansatz funktioniert möglicherweise auch besser bei der Bearbeitung neuer Materialien, die eine verbesserte elektrische Leistung bieten.

 

Chui sagte jedoch, dass die meisten UV-Laser auf der Grundwellenlänge von Infrarotquellen basieren. Viele Systeme von MKS Instruments verwenden eine Nahinfrarotdiode, um einen Neodym- oder Ytterbium-dotierten Kristall oder ein Faserverstärkungsmedium zu pumpen, um 1000-nm-Licht zu erzeugen. Nichtlineare optische Kristalle wandeln diese Wellenlänge dann in ihre dritte Harmonische um, was zu Ausgangswellenlängen von 349 bis 355 nm führt. Da diese Kristalle Umwandlungsverluste erleiden, hat der resultierende UV-Strahl eine geringere Ausgangsleistung als seine Infrarotquelle.

 

Durch eine Steigerung der Konversionseffizienz kann die Ausgangsleistung von UV-Lasern verbessert werden, und MKS arbeitet an diesem Ziel. Die Herausforderung besteht darin, dass es normalerweise einen Balanceakt zwischen der Verbesserung der Laserumwandlungseffizienz und der Aufrechterhaltung der Kristalllebensdauer gibt.

 

Auch Alex Laymon, Präsident von DPSS Lasers, versteht diese Herausforderung. Das Unternehmen stellt diodengepumpte Festkörperlaser her, die Vanadat (Vanadium-Yttrium-Tetraoxid oder YVO4) als Verstärkungsmedium und Lithiumtriborat-Kristalle zur Frequenzverdreifachung verwenden, um einen gepulsten Ausgang der dritten Harmonischen von 355 nm zu erzeugen. DPSS Lasers stellt keine UV-Systeme her, die unter 300 nm arbeiten, da dies die Lebensdauer des Produkts verkürzen würde. Laut Laymon können die Beta-Bariumborat-Kristalle, die zur Vervierfachung der Frequenz auf 266 nm erforderlich sind, nicht lange genug überleben, wenn sie einem Fluss solch hochenergetischer Photonen ausgesetzt werden.

 

Mit einem UV-Laser beschrifteter Saphir im Rahmen eines Herstellungsprozesses für blaue LEDs. Die quadratischen Pads messen auf jeder Seite 300 µm und die Ritzbreite beträgt 10 µm. Mit freundlicher Genehmigung von DPSS Lasers.

 

Mit einem UV-Laser beschrifteter Saphir im Rahmen eines Herstellungsprozesses für blaue LEDs. Die quadratischen Pads messen auf jeder Seite 300 µm und die Ritzbreite beträgt 10 µm. Mit freundlicher Genehmigung von DPSS Lasers.

 

„UV-Laser sind teurer als andere Lasersysteme“, sagte er. „Es gibt keine Möglichkeit, das zu verhindern.“ Aber er sagte, dass die Kosten bei wichtigen Anwendungen mit Vorteilen einhergehen. Beispielsweise ist die Laserbeschriftung hinsichtlich Volumen und Umsatz die größte Anwendung für die UV-Systeme von DPSS. Kunststoffhärtung, Mikrobearbeitung und Oberflächenvorbereitung stellen ebenfalls große Märkte dar.

 

Laymon prognostizierte, dass längere Lebensdauern, kleinere Größen und Preissenkungen die Akzeptanz von UV-Lasern erhöhen würden. Er sagte jedoch, dass diese Quellen wahrscheinlich nur einen kleinen Prozentsatz des Marktes für Lasersysteme beherrschen werden.

 

Kristalle klar halten

 

Photonen mit kürzerer Wellenlänge sind energiereicher und interagieren daher stärker mit Verunreinigungen auf jeder Oberfläche entlang des optischen Pfades. Verunreinigungen auf der Optik, beispielsweise organische Rückstände, die bei einem Reinigungsprozess zurückbleiben, absorbieren UV-Photonen, unterliegen chemischen Veränderungen und interagieren dann noch stärker mit den hochenergetischen UV-Photonen. Dies kann zu einem außer Kontrolle geratenen Prozess führen, der die Optik so stark beeinträchtigt, dass sie und das gesamte System unbrauchbar werden. Daher sind strenge Protokolle und Designs erforderlich, um eine Fotokontamination der UV-Optik zu verhindern, sagte Chui von MKS Instruments.

 

Scott Buchter, CEO von UVC Photonics, stimmte zu, fügte jedoch hinzu, dass sowohl die Energie als auch die Anzahl der Photonen wichtige Überlegungen seien. Die Laser seines Unternehmens liefern nur 10 mW Dauerleistung. Andere Laser, beispielsweise solche, die über 300 nm für Mikrobearbeitungsanwendungen emittieren, sind gepulste Systeme, die Spitzenleistungen im zweistelligen Kilowattbereich abgeben können. Dies führe zu einer starken Zwei-Photonen-Absorption, die Schäden verursacht, sagte er.

 

Aber auch die Herstellung von Systemen, die unterhalb der 300-nm-Wellenlänge emittieren, erfordert eine Kontaminationskontrolle. „Alles muss sauber sein“, sagte Buchter. „Und man muss beim Putzen vorsichtig sein.“

 

Im Januar stellte UVC Photonics einen 261-nm-CW-Laser vor, der ein mit Praseodym dotiertes Verstärkungsmedium verwendet, das von einem blauen Diodenlaser gepumpt wird. Die UV-Leistung entsteht durch die Erzeugung der zweiten Harmonischen der 522-nm-Praseodym-Emission.

 

Bei der Herstellung seines Systems verwendet UVC Photonics zur Reinigung einen Strahl aus gefrorenem CO2 (Trockeneis). Anschließend verdunstet das CO2 und es bleibt nichts zurück. Anschließend versiegelt das Unternehmen die Systeme und befüllt sie mit einem Inertgas. Die geringere Spitzenleistung des Systems und sein streng kontrollierter Herstellungsprozess tragen dazu bei, die Auswirkungen von Verunreinigungen auf den Betrieb und die Lebensdauer des Produkts zu minimieren.

 

Zu den potenziellen Anwendungen für den 261-nm-Laser von UVC gehören Abstands-Raman-Spektroskopiesysteme zur Sprengstoffdetektion. Aktuelle Versionen dieser Systeme füllen einen schweren Rucksack, aber die Nutzung des UVC-Lasers würde ein System ermöglichen, das klein genug ist, um in die Stellfläche eines kleinen, batteriebetriebenen Geräts zu passen, sagte Buchter.

 

Weitere Einsatzmöglichkeiten bestehen in weiteren Anwendungen der Raman-Spektroskopie, bei denen UV-Laser im Allgemeinen eine deutlich höhere Empfindlichkeit im Vergleich zu häufig verwendeten IR-Lasern bieten, sagte Buchter. Er sagte, ein CW-UV-Laser könnte sich auch in der Mikroskopie als nützlich erweisen, wo Lichtquellen häufig kontinuierlich niedrige Leistung liefern müssen.

 

Da die Liste aktueller und potenzieller Anwendungen für UV-Laser wächst, wird die Nachfrage nach den Lasern den weiteren Fortschritt hinsichtlich ihrer Kosten, Größe und anderer Parameter vorantreiben.

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