紫外固体激光器正正在展现出更众的新行使

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所属分类:固体激光器
短波紫外激光是指波长介于200 nm-280 nm的紫外激光,具有波长短、聚焦性能好、光子能量高、可进行冷处理,能激发特定的光化学反应,具有使用率与精密化高等特点,在微电子、微机械
紫外固体激光器正正在展现出更众的新行使

紫外固体激光器正正在展现出更众的新行使

  短波紫外激光是指波长介于200 nm-280 nm的紫外激光,具有波长短、聚焦性能好、光子能量高、可进行冷处理,能激发特定的光化学反应,具有使用率与精密化高等特点,在微电子、微机械、光存储、光谱分析、大气探测、生物医学、精细标记、激光精密加工、前沿科学及航空航天等领域具有重大的应用价值。

  紫外激光器主要分为固体紫外激光器、气体紫外激光器和半导体紫外激光器。工作在短波紫外波段的新兴半导体抽运全固态激光器相较于其他类型的激光器而言,具有效率高、性能可靠、硬件结构简单等特点,因此应用最为广泛。

  在紫外激光器设计中,紫外激光的输出功率和光束质量主要依赖于非线性晶体的好坏。自从非线性晶体问世以来,有许多紫外非线性晶体被研制出来并投入到紫外激光器的研制中,比较常用的有BBO、LBO、BIBO、CLBO、KBBF。通过非线性变频技术对激光器基频光进行四倍频或者五倍频得到紫外光。

  拉曼光谱分析所使用的紫外激光器波长一般在244 nm到364 nm范围内。

  短波紫外激光器正在拉曼光谱领域涌现出新应用。对于某些特定样品来说,紫外激光与样品相互作用的方式与可见激光不同,拉曼信号可以通过共振拉曼信号得到增强,很大程度上扩宽了拉曼光谱在物理、化学、生物、材料等领域中的应用。例如:紫外光在半导体材料中的穿透深度一般在几个纳米的量级,因而紫外拉曼可以用来对样品表面的薄层(常见于新型硅基材料SOI材料)进行选择性分析。紫外光激发也可以与蛋白质、DNA、RNA等生物样品产生特定的共振增强进而对样品的结构进行特定的分析,而使用可见光激发则无法实现。紫外拉曼在探测金属中心合成物、富勒分子、联乙醯以及其他的稀有分子上也是一种重要的技术,这些材料对于可见光都有着很强的吸收;200 nm的激励光能够增强氨基化合物的振动峰;而220 nm的激励光则可以增强特定的芳香暂留物的振动峰等。

  使用紫外激发可以抑制荧光的影响,因为在紫外光激发下拉曼信号和荧光信号在不同的光谱区域,不会受到干扰。而使用可见激光激发时,拉曼信号和荧光信号往往会重叠在一起,又由于荧光的信号强度是拉曼信号强度所无法比拟的,因此荧光信号会干扰甚至完全湮没拉曼信号。使用紫外激光激发时,拉曼信号仍位于靠近激光线附近的位置,而荧光则在较高波长的位置,由此拉曼和荧光信号不再重叠,荧光问题也不复存在。

  2017年,中科院大连化物所李灿院士、范峰滔研究员、黄保坤高工等参与研发的7千米级深海原位探测紫外激光拉曼光谱仪在马里亚纳海沟成功通过7000 m海试验证。该光谱仪是国际上首次进行深海探测的紫外激光拉曼光谱仪,也创造了拉曼光谱仪最高深海探测记录(7449 m)。该仪器的成功研发将提升我国在深海矿藏、能源资源(天然气水合物)、碳循环与气候变化以及深海生物信息方面的探测能力。

  随着技术的发展和完善,激光雷达的应用范围越来越广,其中环境监测领域就是很重要的一个方面,它可以用来测量颗粒物、臭氧、温度和湿度的变化等等。通过测量激光达到颗粒物或者气体分子上的后向散射光的消光比或者偏振状态变化,从而分析出大气中的颗粒物或气体成分,以及他们的分布高度、浓度等情况。

  气溶胶雷达,主要用355 nm和532 nm两种波长的激光;测风雷达,主要用1550 nm激光;臭氧雷达,由于短波紫外波段可被臭氧层所阻隔,主要用266 nm激光,紫外波段具有散射强度大,抗干扰性强等优点,可以用于近距离的大分子探测,因此适用于臭氧探测。下图是大气臭氧雷达示意图。

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  光致发光是指光照射到样品上,被样品吸收,产生光激发过程。光致发光光谱用于探测材料的电子结构,是一种非接触、无损伤的测试方法。光致发光的数量与类型依研究的物质与使用的激光波长而定。选择适当的激光波长一般可避免不必要的荧光干扰。GUILD宝石实验室在检测某蓝宝石样品时发现其在长波长紫外光下无荧光,在短波紫外光下呈现强度不等且不均匀的蓝白色、黄绿色等颜色异常荧光。

紫外固体激光器正正在展现出更众的新行使

  激光应用于指印检测领域以来,国内在这一领域的研究也取得了一系列的成果。然而,短波紫外激光在潜指纹显现中的应用较少,紫外反射照相方法作为一种无损检验方法,尤其对玻璃、照片等非渗透性客体表面指纹显现具有突出效果。

  266 nm激光对指纹进行显现,有效地提取了该类客体表面的潜在指纹。该波段激光器具有高的光学品质和良好的热导率、化学稳定性、尺寸稳定性、光漫反射特性等优点,而且制造成本低、生产周期短,可以很容易地控制其光学特性,在法庭科学领域有较大应用前景。

  紫外激光器具有其它激光器所不具备的好处,能够限制热应力。例如,应用在FPC中,由于红外或可见光波段激光束的加工机理是将光能转变成为热能,使得物质融化或者蒸发,这种方式不可避免的导致激光热量以热传导和热辐射的方式向材料区域周围扩散,产生重熔层和热影响区域,从而限制了微细加工边缘的质量和精度。而紫外激光由于光子能量高,在与PI等高分子聚合物材料作用时,可将光能转变为光化学能,直接破坏部分连接物质原子或者分子组分的化学键,达到去除材料的目的。紫外激光这种“冷消融”工艺,可以将冲缘加工、碳化以及其它热应力的影响降至最低,而使用更高功率的激光器通常都会存在这些负面影响。

  紫外激光器的波长比可见光波长更短,是不可见的,但短波紫外激光器能够更精确地聚焦,从而在精细加工的同时,还能保持优良的定位精度。

  为了抢占短波紫外激光器的市场,各类激光器都开始进入短波紫外产品的研发。2017年加拿大麦吉尔大学的研究人员制造出了一种氮化铝镓(AlGaN)激光二极管,其能够输出波长239 nm的短波紫外光,但短波紫外半导体激光器刚刚兴起,技术还不是很成熟;铜蒸汽紫外激光器主要是通过混频和倍频来产生波长为255 nm,271 nm和289 nm的紫外激光,这种激光器占地面积大、可靠性有限、寿命短、高能耗和高费用;KrF准分子激光器,波长248 nm,激光光束质量差、掩膜损失大;氩、氪离子倍频激光器和氦-镉激光器存在光束指向性差等缺点,固体紫外激光器凸显了它的优势。

  总之,随着新型增益晶体、倍频晶体的不断问世,以往晶体加工技术的不断提高,短波长紫外固体激光器的输出功率越来越高,输出波长越来越短,激光器结构越来越简化,相信以其独有的优势,可以在众多领域发挥更大的作用,有更好的发展前景。

  在轨道交通中还有哪些黑科技,欢迎参加2019年8.14-16日在常州召开的第三届中国先进激光在轨道交通中的应用大会。

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  江苏省激光产业技术创新战略联盟的激光天地搜集整理!欢迎参加我们在2020举办的首届中国先进激光制造技术在航空中的应用大会 来源:返回搜狐,查看更多