Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 29
Текст из файла (страница 29)
С учетом этого обстоятельства, при использовании лазеров на эксимере в сфере фотолитографии нередко прибегают к сужению спектра генерации лазера. У Кгг-лазера, например, с отражательной решеткой (см. п.18.4) и дополнительным эталоном с воздушным промежутком достигается уменьшение ширины линии до 0,3 пм. УАгр-лазера вогнутая решетка и специальное исполнение резонатора дают ширину линии 0,4 пм. Альтернативный способ снижения хроматической аберрации заключается в применении зеркальных оптических систем для формирования изображения. Такие отражательные оптические системы не имеют хроматической аберрации, поскольку отражение — в отличие от преломления в линзе — не зависит от материала. Следует, впрочем, отметить, что коэффициент отражения для света, поляризованного параллельно или, соответственно, перпендикулярно плоскости падения, отчетливо изменяется в зависимости от угла падения (см.
п.14.1), особенно если таковой показывает значительное отклонение от нормали зеркал. Во избежание бесконтрольного изменения коэффициента отражения в зависимости от поляризации падающего лазерного излучения используются отражательные оптические системы с лазерами улучшенной поляризации, у которых, кроме прочего, спектр генерации сужен до нескольких десятков пм по ширине полосы излучения, ( ! 36 Глава 7.
Молекулярные 54Ф-лазеры В качестве следуюшего шага в деле создания етце более мелких структур предлагается внедрение Агг-иммерсионных систем, при которых повышается числовая апертура и, слеловательно, улучшается разрешение с помощью капли жидкости между объективом и подложкой (гт-лазеры более не используются). Преобразование частоты При излучении в УФ-диапазоне нет прозрачных кристаллов для умножения частоты. Тем не менее, на основе нелинейных эффектов в газах могут генерироваться высшие гармоники — например, до седьмой гармоники, с укорочением длины волны Кгг-лазера до 35 нм. Другой весьма эффективный метод изменения длины волны лазеров на эксимере состоит в индуцированном, или вынужденном комбинационном рассеянии. В результате фокусирования излучения в ячейке, заполненной, например, водородом под высоким давлением, образуется целый ряд линий.
Особенно высокой интенсивностью отличаются при этом стоксовы линии с длиной волны больше, чем у падаютцего луча. Энергия при этом передается от фотонов к колебательным состояниям молекулы Нг У антистоксовых линий, напротив, энергия возбуждающих молекул поступает на падаюшие фотоны. Длина волны в результате становится короче. На рис. 7.б показаны длины волн, генерируемые ячейкой на комбинационном рассеянии для разных лазеров на эксимере. Преобразование осуществляется с высоким коэффициентом полезного действия.
Источник накачки [ХаС~] 1ООО 1ОО 515 А51 2 55 1О оа км ох л о ак *'51 ООО за 1ОО ;о 200 ЗОО 400 500 ЗОО 400 500 600 Источник накачки [ктт) 1000 Источник накачки 1Ате~ М 100 то 525 55 51 525З5 55 200 ЗОО 400 500 150 200 250 ЗОО Длина волны, нм Рис. 7.6. Спектры ячеек комбинационного рассеяния Нг возбуждаемые лазерами на зксимере. 5 = стоксовы линии, А5 = антистоксовы линии ЗАДАЧИ 7.1. Время жизни на верхнем уровне азотного лазера составляет т, = 40 нс, на нижнем уровне т, = от 10 мкс до 1О мс.
Какие выводы из этого можно сделать в отношении временной характеристики лазерного излучения? 7 2. Азотный лазер длиной 0 5 м (поперечное сечение 4 х! 1 мм) при давлении 0,05 бар для генерации излучения нуждается в напряженности электричес- 3 д 137)) кого поля около 10 кВ/см.
Какова величина требуемого импульса напряжения при продольной и поперечной накачке? 7.3. Длительность импульса лазера на эксимере составляет 20 нс. Сколько оборотов делает волна лазерного излучения, циркулирующая в резонаторе длиной 1,2 м? 7.4. Вычислить минимальный коэффициент отражения лазерных зеркал для азотного лазера длиной 0,9 м с дифференциальным усилением я = 25 м '. 7.5.
В таблице 7.2 для коммерческого Кгр*-лазера приведены следуюшие данные: энергия в импульсе Е = ! Дж, длительность импульса т = 20 нс, пиковая мощность Р, = 15 МВт, частота следования импульсовг= 100 Гц, средняя мощность = 20 Вт. Проверьте, совместимы ли эти характеристики друг с другом. 7.6. Интервал между колебательными уровнями Н, составляет 4155 см '. Вычислить длины волн антистоксовой линии и первых трех стоксовых линий, образующихся при фокусировке излучения лазеров на основе ХеС! (Х = 308 нм) и Кгг- (2. = 249 нм) в Н,-ячейку. 7.7.
Лазер на эксимере для обработки материалов генерирует излучение с плошадью поперечного сечения А= 1 мм' и энергией в импульсе Д = 50 мДж. На какую толщину И возможен съем материала (р = 1000 кг/м')? Сделайте упрощенные допущения (теплота испарения Е = 2200 кДж/кг). ГЛАВА 8 ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ С более чем 100 красителями в водных или органических растворах (концентрация около 10 ' моль/литр) может (в зависимости от вида красителя) достигаться перестраиваемая генерация лазерного излучения от 300 нм до более 1 мкм. Здесь используется, как правило, оптическая накачка в импульсном и непрерывном режимах работы.
Лазер на красителе в самом распространенном — перестраиваемом исполнении находит многочисленные применения в спектроскопии, медицине, биологии, в области защиты окружающей среды, а также в аналитической технике и разделении изотопов. Благодаря большой ширине полосы лазеры этого типа пригодны для генерации сверхкоротких импульсов (вплоть до единиц фемтосекунд), которые могут служить в целях изучения быстрых процессов, в том числе — фотосинтеза. В медицине лазер на красителе находит применение в дерматологии и фотодинамической терапии. 8.1. Свойства лазеров на красителях В лазерах на красителях генерируется индуцированное излучение на основе флуоресцентных переходов в молекулах красящего вещества.
Речь здесь идет о многоатомных молекулах с сопряженными связями и протяженной я-электронной системой. Известно, что флуоресценция обладает весьма высоким кпд. Химическая структура типовой молекулы красителя показана на рис. 8.1. Электронные энергетические состояния делятся на синглетные и триплетные состояния (общий спин о' = 0 или !). В сннглетном состоянии спины электронов располагаются встречно-параллельно, в то время как в триплетном состоянии два спина имеют параллельное расположение. Самые низкие энергетические состояния в двух этих уровневых системах (рис.
8.2) обозначены через о, и Т„а более высокие — через Яо Тц Я, и и.д.. Переходы от синглетной системы к триплетной возможны лишь с ничтожной вероятностью (см. ЛЮ = О, правила отбора в таблице 1.4). Данные электронные уровни значительно уширены за счет колебаний и вращений в молекуле и взаимодействий с растворителями. Отдельные колебательные или вращательные уровни не имеют разрешения в спектрах поглощения или флуоресценции. В целях упрощения возбужденные состояния в пределах электронных зон Я„Яг Т, и т.д. будут называться далее «колебательными уровнями». Растворы красителей, согласно рис.
8.3, показывают сильное поглощение света в широком диапазоне длин волн, которое вызывается переходами 8, — > Бг На основе очень быстрых безызлучательных переходов возбужденные электроны в течение пикосекунд попадают в самый низкий колебательный уровень ог Через несколько ННС2Н5 сг Снз Н5С2НН Рнс. 8.1.
Структура лазерного красителя — родамнна 6Ж щззг г— ~- 2 Безызлучвтель переход оглощение т, оп на и зо Рис. 82. Схема энергетических уровней и переходы у лазера на красителе а 2 Ь ь 1 О МО 880 Длина волны, нм Рве. 8.3. Эффективные поперечные сечения для поглощения н индуцированного излучения родамина 6Ж в зависимости от длины волны наносекунд они переходят с большим квантовым выходом через излучательные переходы в колебательные уровни основного Я;состояния. Излучаемый при атом свет сдвинут относительно поглощенного света к длинноволновой области (рис. 8.2 и 8.3). Вышележащие колебательные уровни основного состояния Я, в результате столкновений с растворителем в течение пикосекунд расщепляются в самое низкое состояние.
Эти переходы между колебательными уровнями происходят безызлучательно, что приводит к нагреванию жидкого растворителя. ( 140 Глава 8. Лазеры иа красшпеллх Оптическая накачка Для генерации лазерного излучения красители возбуждаются путем оптической накачки. При этом верхний лазерный уровень энергии есть одновременно самый нижний колебательный уровень Яг Время жизни около 1 не дольше, чем в нижнем лазерном состоянии, которое является возбужденным колебательным уровнем основного состояния Яы В течение пикосекунд он в результате релаксации переходит в самый нижний колебательный уровень.
В процессе возбуждения имеют место следующие потери: на поглощение в вышележащие синглетные состояния (Я,— ~ Я,), а также на безызлучательные переходы в триплетное состояние (Я,— ~ Т,). При интенсивной накачке Ю,-состояние получает высокую населенность. Поскольку разности энергий между отдельными Ю-состояниями примерно равны, то при накачке происходят также переходы Я,— э Я„ что препятствует генерации лазерного излучения. Состояние Т, метастабильно (10-' — 10 ' с), поэтому во время накачки в этом состоянии собирается большое число молекул красителя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
