Эксимерный лазер. Лазеры на галогенидах инертных газов

Эксимер-лазерная установка WaveLight EX500

WaveLight EX500 - эксимер-лазерная установка последнего поколения, использование уникальных преимуществ которой позволяет максимально комфортно и безопасно для пациента добиваться наилучших показателей остроты зрения.

Рабочая частота импульса - 500 Гц, что позволяет считать WaveLight EX500 одной из самых быстрых эксимер-лазерных систем в мире. Благодаря высокой скорости работы лазера роговица не подвергается излишнему термическому воздействию, что предотвращает ее обезвоживание во время процедуры - соответственно, восстановительный период после лазерной коррекции сокращается и протекает максимально комфортно.

В новой эксимер-лазерной установке реализована полная интеграция с диагностическим комплексом - единый сервер для диагностического оборудования и хирургического лазера позволяет полностью автоматизировать перенос данных, что минимизирует человеческий фактор. Встроенный пахиметр обеспечивает дополнительный контроль глубины лазерного воздействия, позволяя измерять толщину роговицы в режиме on-line, на всех этапах хирургического вмешательства.

Точно определить зону воздействия лазера позволяет инфракрасная система трэкинга, которая следит за центром зрачка и синхронизирована с самим лазерным источником. Время реакции системы слежения за глазом менее 3 миллисекунд. Частота системы слежения за глазом 1050Гц. Контроль положения глаза по центру зрачка, краю роговицы, радужной оболочке позволяет отслеживать малейшие движения глаза таким образом, чтобы не оказывалось влияние на точность проведения коррекции.

Благодаря использованию технологий оптимизированного и контролируемого волнового фронта предотвращается риск возникновения сферических аберраций, у пациентов практически отсутствуют проблемы, связанные с нарушениями сумеречного и ночного видения.

Границы применения эксимер-лазерной установки WaveLight EX500:

• близорукость от -0.25 до -14,0 D;
• миопический астигматизм от -0.25 до -6.0 D;
• дальнозоркость от +0.25 до +6.0 D;
• гиперметропический астигматизм от +0.25 до +6.0 D.

Лазер VISX Star S4 IR

Лазер VISXStarS4 IR существенно отличается от других моделей — он позволяет проводить эксимер-лазерную коррекцию пациентам с осложненными формами близорукости, дальнозоркости и аберрациями (искажениями) более высоких порядков.

Новый комплексный подход, реализованный в установке VISX Star S4 IR, позволяет гарантировать максимально сглаженную поверхность роговицы, формируемую в процессе лазерной коррекции, отслеживать возможные незначительные движения глаза пациента в ходе операции, максимально компенсировать сложнейшие искажения всех оптических структур глаза. Такие характеристики эксимерного лазера существенно снижают вероятность послеоперационных осложнений, значительно сокращают реабилитационный период, и гарантируют высочайшие результаты.

Границы применения:

• Близорукость (миопия) до —16 D;
• Дальнозоркость (гиперметропия) до +6 D;
• Сложный астигматизм до 6 D.

Фемтосекундые лазеры

Фемтосекундый лазер FS200 WaveLight

Фемтосекундный лазер FS200 WaveLight обладает самой высокой скоростью формирования роговичного лоскута — всего за 6 секунд, в то время как другие модели лазеров формируют стандартный лоскут за 20 секунд. В процессе эксимер-лазерной коррекции фемтосекундный лазер FS200 WaveLight создает роговичный лоскут путем приложения очень быстрых импульсов лазерного излучения.

Фемтосекундный лазер использует луч инфракрасного света для точного отделения ткани на заданной глубине с помощью процесса, называемого «фоторазрыв». Импульс лазерной энергии фокусируется в точном месте внутри роговицы , тысячи лазерных импульсов располагаются рядом для создания плоскости доступа. За счет нанесения по определенному алгоритму и на определенной глубине в роговице множества лазерных импульсов представляется возможным выкроить роговичный лоскут любой формы и на любой глубине. То есть уникальные характеристики фемтосекундного лазера дают возможность офтальмохирургу формировать роговичный лоскут, полностью контролируя его диаметр, толщину, центровку и морфологию при минимальном нарушении архитектуры.

Чаще всего фемтосекундный лазер применяется в ходе эксимер-лазерной коррекции по методике ФемтоЛасик , которая отличается от других методик тем, что роговичный лоскут формируется с помощью лазерного луча, а не механического микрокератома. Отсутствие механического воздействия увеличивает безопасность проведения лазерной коррекции и в несколько раз снижает риск появления приобретенного послеоперационного роговичного астигматизма, а также позволяет проводить лазерную коррекцию пациентам с тонкой роговицей.

Фемтосекундный лазер FS200 WaveLight объединен в единую систему с , и поэтому время проведения процедуры эксимер-лазерной коррекции с использованием этих двух лазерных установок — минимальное. Благодаря своим уникальным свойствам по созданию индивидуального роговичного лоскута, фемтосекундный лазер также успешно применяется в ходе проведения кератопластики при формировании роговичного туннеля для последующей имплантации внутристромального кольца.

Фемтосекундый лазер IntraLase FS60

Фемтосекундный лазер IntraLase FS60 обладает высокой частотой и малой продолжительностью импульсов. Продолжительность одного импульса измеряется фемтосекундами (одна триллионная часть секунды, 10-15с), что позволяет разделять слои роговицы на молекулярном уровне без выделения тепла и механического воздействия на окружающие ткани глаза. Процесс формирования лоскута при помощи фемтосекундного лазера FS60 для проведения лазерной коррекции зрения происходит за несколько секунд, абсолютно бесконтактно (без разреза роговицы).

Фемтосекундный лазер IntraLase FS60 входит в завершенную линейку оборудования системы iLasik. Он работает совместно с эксимерным лазером VISX Star S4 IR и аберрометром WaveScan. Этот комплекс дает возможность проводить лазерную коррекцию зрения, учитывая малейшие особенности зрительной системы пациента.

Микрокератомы

Результат лазерной коррекции зависит от многих параметров. Это и опыт специалиста, и применяемая методика лечения, и лазер используемый в ходе коррекции. Но не менее значим в процессе лечения такой прибор, как микрокератом. Микрокератом необходим для проведения эксимер-лазерной коррекции по методике ЛАСИК. Особенность микрокератомов, работающих в клиниках «Эксимер», — высочайшая безопасность. Они могут работать в автономном режиме, вне зависимости от электроснабжения. В процессе лечения по методике ЛАСИК воздействию подвергаются не внешние слои роговицы, а внутренние. Для того, чтобы отделить верхние слои роговицы, и нужен микрокератом. В клинике «Эксимер» используют микрокератомы всемирно известной фирмы «Moria». Она одной из первых стала выпускать не ручные, а автоматические модели, которые позволили минимизировать риски при проведении эксимер-лазерной коррекции и существенно повысить ее качество.

Moria Evolution 3

Данный тип микрокератома позволяет осуществить подготовительную стадию перед эксимер-лазерной коррекцией зрения (а именно — формирование лоскута) наименее болезненно для пациента и снизить состояние дискомфорта до минимума. Прибор оснащен многоразовыми головками, фиксирующими вакуумными кольцами, а также непосредственно автоматическим кератомом ротационного типа. Конструкция колец и головок микрокератома позволяет гибко настраивать оборудование под индивидуальные особенности глаза пациента, что приводит к более точным и гарантированным результатам.

Работающий на электронных переходах эксимерных молекул (молекул, существующих только в электронно-возбуждённых состояниях). Зависимость потенц. энергии взаимодействия атомов эксимерной молекулы, находящейся в основном электронном состоянии, от межъядерного расстояния является монотонно спадающей ф-цией, что отвечает отталкиванию ядер. Для возбуждённого электронного состояния, являющегося верх, уровнем лазерного перехода, такая зависимость имеет минимум, определяющий возможность существования самой эксимерной молекулы (рис.). Время жизни возбуждённой эксимерной молекулы ограничено

Зависимость энергии эсимерной молекулы от расстояния R между составляющими её атомами X и Y; верхняя кривая - для верхнего лазерного уровня, нижняя кривая-для нижнего лазерного уровня. Значения соответствуют центру линии усиления активной среды, её красной и фиолетовой границам. временем её радиац. распада. Поскольку ниж. состояние лазерного перехода в Э. л. опустошается в результате разлёта атомов эксимерной молекулы, характерное время к-рого (10 -13 - 10 -12 с) значительно меньше времени радиац. опустошения верх, состояния лазерного перехода, газ, содержащий эксимерные молекулы, является активной средой с усилением на переходах между возбуждёнными связанными и основным разлётным термами эксимерной молекулы.

Основу активной среды Э. л. составляют обычно двухатомные эксимерные молекулы - короткоживущие соединения атомов инертных газов друг с другом, с галогенами или с кислородом. Длина волны излучения Э. л. лежит в видимой или ближней УФ-области спектра. Ширина линии усиления лазерного перехода Э. л. аномально велика, что связано с разлётным характером нижнего терма перехода. Характерные значения параметров лазерных переходов для наиб, распространённых Э. л. представлены в таблице.

Параметры эксимерных лазеров

Оптимальные параметры активной среды Э. л. соответствуют оптимальным условиям образования эксимерных молекул. Наиб, благоприятные условия для образования димеров инертных газовсоответствуют диапазону давлений 10-30 атм, когда происходит интенсивное образование таких молекул при тройных столкновениях с участием возбуждённых атомов:

При столь высоких давлениях наиболее эфф. способ введения энергии накачки в активную среду лазера связан с пропусканием через газ пучка быстрых электронов, к-рые теряют энергию преим. на ионизацию атомов газа. Конверсия атомных ионов в молекулярные и последующая диссоциативная рекомбинация молекулярных ионов сопровождающаяся образованием возбуждённых атомов инертного газа, обеспечивают возможность эфф. преобразования энергии пучка быстрых электронов в энергию эксимерных молекул Лазеры на димерах инертных газов характеризуются кпд ~1%. Осн. недостатком лазеров данного типа является чрезвычайно высокое значение уд. порогового энерговклада, что связано с малой длиной волны лазерного перехода и значит, шириной линии усиления. Это накладывает высокие требования на характеристики электронного пучка, используемого в качестве источника накачки лазера, и ограничивает значения выходной энергии лазерного излучения на уровне долей Дж (в импульсе) при частоте повторения импульсов не выше неск. Гц. Дальнейшее увеличение выходных характеристик лазеров на димерах инертных газов зависит от развития техники электронных ускорителей с длительностью импульса электронного пучка порядка десятков не и энергией пучка ~кДж.

Существенно более высокими выходными характеристиками отличаются Э. л. на моногалогенидах инертных газов RX*, где X - атом галогена. Молекулы этого типа эффективно образуются при парных соударениях, напр.или

Указанные процессы протекают с достаточной интенсивностью уже при давлениях порядка атмосферного, поэтому проблема введения энергии в активную среду таких лазеров оказывается технически значительно менее сложной, чем в случае лазеров на димерах инертных газов. Активная среда Э. л. на моногалогенидах инертных газов состоит из одного или неск. инертных газов при давлении порядка атмосферного и нек-рого кол-ва (~10 -2 атм) га-логеносодержаших молекул. Для возбуждения лазера применяется либо пучок быстрых электронов, либо импульсный электрич. разряд. При использовании пучка быстрых электронов выходная энергия лазерного излучения достигает значений ~ 10 3 Дж при кпд на уровне неск. процентов и частоте повторения импульсов значительно ниже 1 Гц. В случае использования электрич. разряда выходная энергия лазерного излучения в импульсе не превышает долей Дж, что связано с трудностью формирования однородного по объёму разряда в значит, объёме при атм. давлении за время ~ 10 нс. Однако при применении электрич. разряда достигается высокая частота повторения импульсов (до неск. кГц), что открывает возможности широкого практич. использования лазеров данного типа. Наиб. широкое распространение среди Э. л. получил лазер на XeCl, что связано с относительной простотой реализации работы в режиме высокой частоты повторения импульсов. Cp. выходная мощность этого лазера достигает уровня 1 кВт.

Наряду с высокими энергетич. характеристиками важной привлекательной особенностью Э. л. является чрезвычайно высокое значение ширины линии усиления активного перехода (табл.). Это открывает возможность создания мощных лазеров УФ- и видимого диапазонов с плавной перестройкой длины волны в достаточно широкой области спектра. Указанная задача решается с помощью инжекционной схемы возбуждения лазера, включающей в себя маломощный генератор лазерного излучения с длиной волны, перестраиваемой в пределах ширины линии усиления активной среды Э. л., и широкополосный усилитель. Эта схема позволяет получить лазерное излучение с шириной линии ~ 10 -3 HM, перестраиваемое по длине волны в диапазоне шириной ~ 10 HM и более.

Э. л. широко используются благодаря своим высоким энергетич. характеристикам, малой длине волны и возможности её плавной перестройки в довольно широком диапазоне. Мощные моноимпульсные Э. л., возбуждаемые электронными пучками, применяются в установках по исследованию лазерного нагрева мишеней с целью осуществления термоядерных реакций (напр., KrF-лазер сHM, выходной энергией в импульсе до 100 кДж, длительностью импульса ~ 1 не). Лазеры с высокой частотой повторения импульсов, возбуждаемые импульсным газовым разрядом, используются в технол. целях при обработке изделий микроэлектроники, в медицине, в экспериментах по лазерному разделению изотопов, при зондировании атмосферы в целях контроля её загрязнения, в фотохимии и в эксперим. физике в качестве интенсивного источника монохроматич. излучения УФ- или видимого диапазона.

Лит.: Эксимерные лазеры, под ред. Ч. Роудза, пер. с англ., M., 1981; ЕлецкийА. В.. Смирнов Б. M., Физические процессы в газовых лазерах, M.. 1985. А. В. Елецкий .

(лазерная коррекция зрения) и полупроводниковом производстве .

Лазерное излучение эксимерной молекулы происходит вследствие того, что она имеет «притягивающее» (ассоциативное) возбуждённое состояние и «отталкивающее» (не ассоциативное) основное - то есть молекул в основном состоянии не существует. Это объясняется тем, что благородные газы, такие как ксенон или криптон высокоинертны и обычно не образуют химических соединений . В возбуждённом состоянии (вызванном электрическим разрядом), они могут образовывать молекулы друг с другом (димеры) или с галогенами, такими как фтор или хлор . Поэтому появление молекул в возбуждённом связанном состоянии автоматически создаёт инверсию населённостей между двумя энергетическими уровнями. Такая молекула, находящаяся в возбуждённом состоянии, может отдать свою энергию в виде спонтанного или вынужденного излучения , в результате чего молекула переходит в основное состояние, а затем очень быстро (в течение пикосекунд) распадается на составляющие атомы.

Несмотря на то, что термин димер относится только к соединению одинаковых атомов, а в большинстве эксимерных лазеров используются смеси благородных газов с галогенами, название прижилось и используется для всех лазеров аналогичной конструкции.

Длина волны эксимерного лазера зависит от состава используемого газа, и обычно лежит в ультрафиолетовой области:

Эксимерные лазеры обычно работают в импульсном режиме с частотой следования импульсов от 1 Гц до нескольких сотен Гц, у некоторых моделей частота может достигать 2 кГц; также возможна генерация единичных импульсов. Импульсы излучения обычно имеют длительность от 10 до 30 нс и энергию от единиц до сотен мДж. Мощное ультрафиолетовое излучение таких лазеров позволяет их широко применять в хирургии (особенно глазной), в процессах фотолитографии в полупроводниковом производстве, при микрообработке материалов, в производстве ЖК панелей, а также в дерматологии . Сегодня эти устройства довольно громоздки, что является недостатком при широком медицинском применении (см. LASIK), однако их размеры постоянно уменьшаются благодаря современным разработкам.

См. также

Напишите отзыв о статье "Эксимерный лазер"

Ссылки

• ЭКСИМЕРНЫЙ ЛАЗЕР - Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
• Эксимерные лазеры, под ред. Ч. Роудза, пер. с англ., M., 1981

Отрывок, характеризующий Эксимерный лазер

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Учебно-методическое пособие

Эксимерные лазеры

Н.В. Лисицына

Москва 2006

Введение

1. Теоретические основы

1.1 Активная среда

1.1.2 Лазеры на окислах инертных газов

1.1.3 Лазеры на эксимерных молекулах чистых инертных газов

1.1.4 Лазеры на двухатомных галогенах

1.1.5 Лазеры на парах металлов

1.1.6 Охлаждение, вентиляция и очистка рабочего газа

1.2 Накачка

1.2.1 Накачка электронным пучком

1.2.2 Накачка электрическим разрядом

1.2.2.1 Разрядные цепи

1.2.2.2 Накачка быстрым поперечным электрическим разрядом

2.2.3 Накачка электрическим разрядом с предионизацией электронным пучком

1.2.2.4 Накачка двойным электрическим разрядом

1.3 Параметры выходного излучения

2. Коммерческие модели эксимерных лазеров

2.1 Лазер LPXPro 305 фирмы LAMBDA PHYSIK (Германия)

2.2 Лазер eX5 ФИРМЫ gam lasers, inc (сша)

3. Применения

3.1 Фотолизное возбуждение лазерных сред

3.2 Генерация коротковолнового излучения

3.2.1 Фотолитография

3.2.2 Лазерная хирургия. Пример пересчета параметров лазерного излучения

Литература

Введение

Эксимерные лазеры - один из самых интересных видов лазеров. Излучение источников, относящихся к этому виду, в спектральном диапазоне занимает промежуток от 126 нм до 558 нм. Благодаря такой малой длине волны излучение эксимерных лазеров может быть сфокусировано в пятно очень маленького размера. Мощность этих источников достигает единиц кВт. Эксимерные лазеры относятся к импульсным источникам. Частота повторения импульсов может доходить до 500 Гц. Этот вид лазеров имеет очень высокий квантовый выход и, как следствие, достаточно высокий КПД (до 2 - 4%).

Благодаря таким необычным характеристикам, излучение эксимерных лазеров находит применение во многих областях и приложениях. Они используются в клиниках при проведении операций (на радужной оболочке глаза и других), где необходимо выжигание тканей. На основе этих лазеров созданы микрофотолитографические установки для тонкого травления материалов при создании электронных печатных плат. Широкое применение нашли эксимерные лазеры в экспериментальных научных исследованиях.

Однако, все эти замечательные характеристики эксимерных лазеров влекут за собой некоторые трудности при их изготовлении и создании установок на их основе. Например, при столь высокой мощности излучения необходимо препятствовать образованию дуги в активной газовой смеси. Для этого необходимо усложнить механизм накачки с целью сокращения длительности ее импульса. Коротковолновое излучение эксимерных лазеров требует использования специальных материалов и покрытий в конструкциях резонаторов, а также в оптических системах для преобразования их излучения. Поэтому одним из недостатков источников этого вида является высокая, по сравнению с другими видами лазеров, стоимость.

1. Теоретические основы

1.1 Активная среда

Активной средой эксимерного лазера являются молекулы газа. Но, в отличие от лазеров на CO, CO 2 или N 2 , генерация в эксимерных лазерах происходит не на переходах между различными колебательно-вращательными состояниями, а между различными электронными состояниями молекул. Существуют вещества, которые в основном состоянии не могут образовывать молекулы (их частицы в невозбужденном состоянии существуют лишь в мономерной форме). Это происходит, если основное состояние вещества соответствует взаимному отталкиванию атомов, является слабосвязанным, либо связанным, но при наличии больших межъядерных расстояниях (рис.1).

Рисунок 1: а - резко отталкивательная кривая; б - плоская кривая; в - кривая связанного состояния на больших межъядерных расстояниях

Молекулы рабочего вещества эксимерных лазеров грубо можно разделить на два вида: образованные частицами одного и того же вещества и частицами двух различных веществ. В соответствии с этим сами активные среды можно назвать "эксимеры" (excimer, exciteddimer - возбужденный димер) и "эксиплексы" (exciplex, excitedcomplex - возбужденный комплекс).

Процесс получения генерации в эксимерном лазере удобно рассмотреть с помощью рисунка 2, на котором представлены кривые потенциальной энергии для основного и возбужденного состояний двухатомной молекулы А 2 .

Рисунок 2. Энергетические уровни эксимерного лазера.

Поскольку кривая потенциальной энергии возбужденного состояния имеет минимум, молекула А 2 * может существовать. Данная молекула является эксимером. В процессе релаксации возбужденной среды устанавливается определенная траектория потока энергии, которая содержит скачок, преодолеваемый только испусканием излучения. Если в некотором объеме накопить довольно большое количество таких молекул, то на переходе между верхним (связанным) и нижним (свободным) уровнями можно получить генерацию (вынужденное излучение) - связанно-свободный переход.

Этот переход характеризуется следующими важными свойствами:

При переходе молекулы в основное состояние в результате генерации она немедленно диссоциирует;

Не существует четко выраженных вращательно-колебательных переходов, и переход является относительно широкополосным.

Если инверсия населенностей не достигается, то наблюдается флюоресценция.

Если нижнее состояние является слабосвязанным, то молекула в этом состоянии претерпевает быструю диссоциацию либо сама (предиссоциация), либо вследствие первого же столкновения с другой молекулой газовой смеси.

В настоящее время получена лазерная генерация на ряде эксимерных комплексов - квазимолекулах благородных газов, их окислах и галогенидах, а также парах металлических соединений. Длины волн генерации этих активных сред приведены в таблице 1.

Таблица 1

Для получения квазимолекул благородных газов используются чистые газы, находящиеся под давлением в десятки атмосфер; для получения окислов благородных газов - смесь исходных газов с молекулярным кислородом или соединениями, содержащими кислород, в соотношении 10000: 1 под таким же давлением; для получения галогенидов благородных газов - их смеси с галогенами в соотношении 10000: 1 (для аргона и ксенона) или 10: 1 (для ксенона или криптона) при общем давлении 0,1 - 1 МПа.

1.1.1 Лазеры на галогенидах инертных газов

Рассмотрим наиболее интересный класс эксимерных лазеров, в которых атом инертного газа в возбужденном состоянии соединяется с атомом галогена, что приводит к образованию эксиплекса галогенидов инертных газов. В качестве конкретных примеров можно указать ArF (λ = 193 нм), KrF (λ = 248 нм), XeCl (λ = 309 нм), XeF (λ = 351 нм), которые генерируют все в УФ диапазоне. То, почему галогениды инертных газов легко образуются в возбужденном состоянии, становится ясным, если учесть, что в возбужденном состоянии атомы инертных газов становятся химически сходными с атомами щелочных металлов, которые легко вступают в реакцию с галогенами. Эта аналогия указывает также на то, что в возбужденном состоянии связь имеет ионный характер: в процессе образования связи возбужденный электрон переходит от атома инертного газа к атому галогена. Поэтому подобное связанное состояние также называют состоянием с переносом заряда.

В лазерах на галогенидах инертных газов существенное влияние на состояние плазмы оказывают процессы фотопоглощения. К ним относится фотодиссоциация исходного галогена, из которого образуется галогенид инертного газа F 2 + hν → 2F; фотораспад образованного в плазме отрицательного иона F - + hν → F + e - ; фотоионизация возбужденных атомов и молекул инертного газа Ar * + hν → Ar + + e - ; фотодиссоциация димеров ионов инертного газа Ar 2 + + hν → Ar + + Ar. А также поглощение самими молекулами галогенидов инертных газов.

Фотопоглощение в активной среде лазеров на галогенидах инертных газов можно разделить на линейчатое и широкополосное. Линейчатое поглощение возникает на связанно-связанных переходах, присутствующих в лазерной смеси примесей атомарных и молекулярных газов, а также свободных атомов и радикалов, образующихся под действием разряда либо при разложении примесных молекул, либо за счет эрозии электронов. Показано, что линейчатое поглощение в некоторых случаях может довольно существенно искажать спектр генерации, однако, как правило, не приводит к заметному снижению ее энергии. Широкополосное поглощение обусловлено, главным образом, связанно-свободными переходами, происходящими в процессах типа фотодиссоциации, фотоотлипания и фотоионизации.

Эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов обычно накачиваются электрическим разрядом.

Эффективная накачка эксимерных лазеров, т.е. создание разряда оптимального с точки зрения вклада энергии в активную среду, еще не гарантирует получения высоких генерационных характеристик лазера. Не менее важно организовать извлечение из активной среды запасенной в ней световой энергии.

Эксимерные лазеры представляют собой интересный и важный класс молекулярных лазеров на переходах между различными электронными состояниями. Рассмотрим двухатомную

молекулу кривые потенциальной энергии для основного и возбужденного состояний которой приведены на рис. 6.25. Поскольку основное состояние соответствует взаимному отталкиванию атомов, в этом состоянии молекула не существует (т. е. в основном состоянии частицы существуют лишь в мономерной форме А). Однако, поскольку кривая потенциальной энергии возбужденного состояния имеет минимум, молекула может существовать в возбужденном состоянии (т. е. в возбужденном состоянии частицы существуют в димерной форме Такая молекула А называется эксимером (аббревиатура англ. слов - возбужденный димер). Предположим теперь, что в некотором объеме каким-либо образом создано большое число эксимеров. Тогда генерация может быть получена на переходе между верхним (связанным) и нижним (свободным) состояниями (связанно-свободный переход). Соответствующий лазер называется эксимерным. Эти лазеры характеризуются двумя необычными, но важными свойствами благодаря тому, что основное состояние соответствует взаимному отталкиванию атомов. 1) Как только в результате генерации молекула перейдет в основное состояние, она немедленно диссоциирует. Это означает, что нижний лазерный уровень будет всегда пустым. 2) Не существует четко выраженных вращательно-колебательных переходов, и переход является относительно широкополосным Однако следует заметить, что в некоторых эксимерных лазерах кривая потенциальной энергии основного состояния не соответствует чистому взаимному отталкиванию, а обладает неглубоким минимумом. В этом случае переход происходит между верхним связанным состоянием и нижним (слабо) связанным состоянием (связанно-связанный переход). Однако, поскольку основное состояние является лишь слабосвязанным, молекула в этом состоянии претерпевает быструю диссоциацию либо сама (предис-социация), либо вследствие первого же столкновения с другой молекулой газовой смеси.

Рис. 6.25. Энергетические уровни эксимерного лазера.

Рассмотрим теперь наиболее интересный класс эксимерных лазеров, в которых атом инертного газа (например, ) в возбужденном состоянии соединяется с атомом галогена что приводит к образованию эксимера галогенидов инертных газов. В качестве конкретных примеров укажем , которые генерируют все в УФ-диапазоне. То, почему галогениды инертных газов легко образуются в возбужденном состоянии, становится ясным, если учесть, что в возбужденном состоянии атомы инертных газов становятся химически сходными с атомами щелочных металлов, которые, как известно, легко вступают в реакцию с галогенами. Эта аналогия указывает также на то, что в возбужденном состоянии связь имеет ионный характер; в процессе образования связи возбужденный электрон переходит от атома инертного газа к атому галогена. Поэтому подобное связанное состояние также называют состоянием с переносом заряда, Рассмотрим теперь подробнее -лазер, так как он представляет собой один из наиболее важных лазеров данной категории. На рис, 6.26 приведена диаграмма потенциальной энергии молекулы Верхний лазерный уровень является состоянием с переносом заряда и ионной связью, которое при отвечает состоянию положительного иона и состоянию 5 отрицательного иона Поэтому энергия при равна потенциалу ионизации атома криптона минус сродство атома фтора к электрону, При больших межъядерных расстояниях кривая энергии подчиняется закону Кулона. Таким образом, потенциал взаимодействия между двумя ионами простирается на гораздо большее расстояние чем в случае, когда преобладает ковалентное взаимодействие (ср., например, с рис, 6.24), Нижнее состояние имеет ковалентную связь и при отвечает состоянию атома криптона и состоянию атома фтора, Таким образом, в основном состоянии атомные состояния инертного газа и галогена меняются местами. В результате взаимодействия соответствующих орбиталей верхнее и нижнее состояния при малых межъядерных расстояниях расщепляются на состояния и Генерация происходит на переходе поскольку он имеет наибольшее сечение, Заметим, что при переходе излучающий электрон передается от иона иону

Обращаясь к механизмам возбуждения, заметим, что электрическое возбуждение приводит в основном к образованию возбужденных атомов и ионов Обе частицы сразу же приводят к образованию возбужденных молекул . В самом деле, возбужденный атом может реагировать с молекулой в соответствии со следующей реакцией:

Используя рассмотренную выше аналогию между возбужденными атомами инертного газа и атомами щелочных металлов, можно сразу же предположить, что скорость реакции (6.12) будет сравнима со скоростью реакции между (атом щелочного металла, соответствующий и молекулой

Рис. 6.26. Кривые потенциальной энергии, отражающие молекулярную структуру

Ион напротив, реагирует с ионами которые образуются в реакции присоединения электрона с диссоциацией:

Заметим, что для одновременного выполнения законов сохранения энергии и импульса рекомбинация двух ионов должна протекать посредством трехчастичного столкновения:

где М - атом буферного газа (в данном случае это, как правило, гелий). Из-за большого расстояния взаимодействия двух ионов данная реакция также идет с очень большой скоростью, если давление буферного газа достаточно велико (газовая смесь обычно состоит из при давлении около 120 мбар, при давлении 6 мбар и Не при давлении 2400 мбар).

Эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов обычно накачиваются электрическим разрядом в соответствии с общей схемой, представленной на рис. 6,21.

Рис. 6.27, Энергия в импульсе, излучаемая ТЕА-лазером с УФ-предыонизацией электрического разряда. В каждом из указанных лазеров использовалась та же лазерная трубка, что и на рис. 6.21, но заполненная соответствующим газом.

Предыонизация обычно достигается, как и на рис. 6,21, излучающими в УФ-диапазоне искровыми разрядами. Поскольку глубина проникновения УФ-излучения в газовую смесь ограничена, для больших установок (поперечные размеры разряда больше 2-3 см) иногда применяют предыонизацию рентгеновским излучением. Для лабораторных устройств и самых крупных установок иногда используют также накачку внешним электронным пучком, Во всех случаях усиление оказывается очень большим, так что в лазерном резонаторе обычно на одном из концов в качестве зеркала устанавливают непросветленный эталон, а на другом конце используют зеркало со 100 %-ным отражателем (например, заднее зеркало на рис. 6.21), Поскольку время жизни верхнего уровня сравнительно невелико, а также чтобы избежать образования дуги, необходимо обеспечить быструю накачку (длительность импульса накачки 10-20 не). В случае, представленном на рис, 6.21, это достигается, как и в азотном лазере, тем, что уменьшают по возможности индуктивность контура и используют

безындукционные конденсаторы, присоединенные к разрядным электродам короткими проводниками. В действительности один и тот же лазер типа изображенного на рис. 6,21 можно использовать как TEA -лазер, азотный лазер или эксимерный лазер просто заменой газовой смеси, На рис. 6.27 показаны полученные таким способом выходные энергии одиночного импульса для различных лазеров. Имеются эксимерные лазеры с частотой повторения примерно до 500 Гц и средней выходной мощностью вплоть до 100 Вт, В настоящее время создаются также более крупные установки со средней мощностью более 1 кВт, Благодаря большому квантовому выходу (см. рис, 6,26) и высокой эффективности процессов накачки КПД этих лазеров обычно довольно высок (2-4 %).

Эксимерные лазеры используются для очень точного травления различных материалов в приложениях, связанных с электронными печатными схемами, а также для выжигания тканей в биологии и медицине (например, радиальная кератомия радужной оболочки глаза). Эксимерные лазеры также широко используются в научных исследованиях и, по-видимому, найдут многочисленные применения там, где требуется источник мощного УФ-излучения с высоким КПД (например, в фотохимии).

Главная » Бизнес » Эксимерный лазер. Лазеры на галогенидах инертных газов