מבוא
עם ההתפתחות המהירה של הטכנולוגיה, יש צורך בציוד לייזר קל יותר, יעיל יותר, קטן יותר, רב תכליתי ואיכותי לאלקטרוניקה, טיפול רפואי, ביולוגיה וחומרים. כיום לייזרים נפוצים זמינים באורכי גל אינפרא אדום ונראה לעין. כלי לייזר, תהליכים וטכנולוגיות מסורתיים סובלים מיעילות נמוכה, תפעול מורכב, עלויות גבוהות, טווח מוגבל, הפסדים חמורים ודיוק נמוך. לייזרים UV נחקרו שוב ושוב על ידי מדענים בעשורים האחרונים בשל הקוהרנטיות הגבוהה יחסית, הנוחות, היציבות והאמינות, העלות הנמוכה, יכולת הכוונון, הגודל הקטן, היעילות הגבוהה, הדיוק והמעשיות שלהם.
2. לייזרים UV
לייזרים UV מחולקים בעיקר ללייזרי UV גז וללייזרים מוצקים UV. המדיום העובד מגיע למצב נרגש על ידי ספיגת אנרגיה חיצונית תחת פעולת מקור המשאבה, ולאחר שגבר היפוך מספר החלקיקים גדול מההפסד, האור מוגבר וחלק מהאור המוגבר מוחזר כדי להמשיך את העירור כך. יצירת תנודה בחלל התהודה להפקת הלייזר. אמצעי גז משמשים בעיקר בפריקות פעימות או אלומת אלקטרונים, כאשר ההתנגשויות בין אלקטרונים מעוררות את חלקיקי הגז מרמות אנרגיה נמוכות לרמות אנרגיה גבוהות כדי לייצר קפיצות נרגשות להשגת לייזרים UV. המדיום המוצק הוא גביש הכפלת תדר לא ליניארי המייצר אור לייזר UV קורן כלפי חוץ לאחר מעבר תדר אחד או יותר. לייזרים מסוג Excimer ו-UV במצב מוצק משמשים בדרך כלל לעיבוד וטיפול בלייזר.
2.1. לייזר אקסימר
לייזרים UV הגז העיקריים הם לייזר אקצימר, לייזר יוני ארגון, לייזרים מולקולריים חנקן, לייזרים מולקולריים פלואור, לייזרים הליום קדמיום וכו'. לייזר אקצימר וכו' משמשים בדרך כלל לעיבוד לייזר. לייזר אקצימר הם לייזרים גז עם אקצימר כחומר העבודה. הם גם לייזרים פולסים ומעוררים עניין מחקרי רב מאז הלייזר האקסימר הראשון נוצר בשנת 1971. אקסימר היא מולקולת תרכובת לא יציבה המתפרקת לאטומים בנסיבות מסוימות. תדירות חזרות והספק ממוצע הם הבסיס לשיפוט לייזר אקצימר. חלק מסוים של גזים נדירים כגון Ar, Kr ו-Xe המעורבבים עם יסודות הלוגן כגון F, Cl ו-Br הם חומרי העבודה העיקריים של לייזרים גז UV, אשר נשאבים באמצעות קרני אלקטרונים או פריקות פולסות. כאשר אטומים של גזים אצילים ונדירים במצב הקרקע נרגשים, האלקטרונים שמחוץ לגרעין נרגשים לפיכך לארביטלים גבוהים יותר כך ששכבת האלקטרונים החיצונית מתמלאת ומשולבת עם אטומים אחרים ליצירת קוואזי-מולקולות, אשר לאחר מכן מזנקות בחזרה אל מצב הקרקע ולהתפרק לאטומים המקוריים. קסנון נוזלי היה חומר העבודה ללייזרי האקסימר המוקדמים. לייזר אקצימר של היום כוללים גם את הלייזר ArF ב-193 ננומטר, הלייזר KrF ב-248 ננומטר ולייזר XeCl ב-308 ננומטר.
2.2. לייזרים UV במצב מוצק
היתרונות הבולטים של לייזר UV במצב מוצק הם גודלם הקטן והנוח, האמינות הגבוהה והיציבות התפעולית. הנפוץ ביותר בשימוש הוא גביש Nd:YAG הרגיל לשאיבת LD, אשר לאחר מכן מוכפל התדר.
השלבים העיקריים ביצירת לייזר UV במצב מוצק הם ראשית שאיבת מקור האור בלייזר על המדיום המעצים כדי להשיג היפוך מספר החלקיקים, היווצרות ותנודה של האור האדום הבסיסי בחלל התהודה, ואז הכפלת התדר בחלל על ידי גביש אחד או יותר לא ליניארי, ולבסוף הפלט של לייזר UV הרצוי מחלל התהודה לאחר שידור והשתקפות. לייזרים UV מצב מוצק מתקבלים בדרך כלל באמצעות שאיבת דיודות LD ושאיבת מנורות. לייזרים UV במצב מוצק הם לייזרים UV במצב מוצק שאובים LD.
Nd:YAG (נופך איטריום אלומיניום מסומם ניאודימיום) ו-Nd:YVO4 (ניאודימיום איטריום ונדאט מסומם) הם שניים מהסוגים הנפוצים יותר של גבישי מדיה מחוזקים. שיטה נפוצה להגברת חללי תהודה היא להשתמש בדיודה לייזר קטנה מוליכים למחצה LD הנשאבת עם גביש לייזר Nd:YVO4 באורך גל של 808 ננומטר כדי להפיק אור אינפרא אדום קרוב ב-1064 ננומטר. בהשוואה ל-Nd:YAG, לקריסטל הלייזר Nd:YVO4 יש חתך רווח גדול יותר, פי ארבעה מזה של Nd:YAG, מקדם ספיגה גדול יותר, פי חמישה מזה של Nd:YAG וסף לייזר נמוך יותר. בהשוואה ל-Nd:YAG, לקריסטל הלייזר Nd:YVO4 יש חתך רווח גדול יותר, פי ארבעה מזה של Nd:YAG, מקדם ספיגה גדול יותר, פי חמישה מזה של Nd:YAG וסף לייזר נמוך יותר. גבישי Nd:YAG הם בעלי חוזק מכני גבוה, העברת אור גבוהה, חיי פלואורסצנטי ארוכים ואינם דורשים פיזור חום ומערכת קירור קשה.
3. יישומים של לייזרים UV
לעיבוד לייזר UV יתרונות רבים והוא כיום הטכנולוגיה המועדפת בפיתוח מידע טכנולוגי. ראשית, לייזר UV יכול להפיק אורכי גל קצרים במיוחד של אור לייזר, שיכול להתמודד בדיוק עם חומרים קטנים במיוחד ועדינים; שנית, ה"טיפול בקור" בלייזר ה-UV אינו הורס את החומר עצמו בכללותו, אלא רק מטפל בפני השטח שלו; יתר על כן, בעצם אין השפעה של נזק תרמי. חלק מהחומרים אינם סופגים לייזרים גלויים ואינפרא אדום ביעילות, מה שהופך אותם לבלתי אפשריים לעיבוד. היתרון הגדול ביותר של UV הוא שבעצם כל החומרים סופגים אור UV בצורה רחבה יותר. לייזרים UV, במיוחד לייזרים UV במצב מוצק, הם קומפקטיים וקטנים, פשוטים לתחזוקה וקלים לייצור בכמויות גדולות. לייזרים UV משמשים במגוון רחב של יישומים בעיבוד חומרים ביולוגיים רפואיים, זיהוי פלילי במקרים פליליים, מעגלים משולבים, תעשיית המוליכים למחצה, רכיבים מיקרו-אופטיים, כירורגיה, תקשורת ומכ"ם, ועיבוד וחיתוך לייזר.
3.1. שינוי תכונות פני השטח של חומרים ביולוגיים
בטיפולים מסוימים, חומרים רפואיים רבים צריכים להיות תואמים לרקמות אנושיות או אפילו לתקן, כמו טיפול בלייזר אולטרה סגול במחלות תוך עיניות וניסויים בקרנית ארנבת שלעיתים דורשים שינויים בתכונות החלבון הביולוגי ובמבנים הביו-מולקולריים. לאחר התאמת פרמטרי הדופק האופטימליים של לייזר UV excimer, הניסויים הקרינו את פני השטח של חומרים ביולוגיים רפואיים בלייזרים של 100 ננומטר, 120 ננומטר ו-200 ננומטר בהתאמה, ובכך שיפרו את המבנה הפיזיקלי-כימי של פני החומר ולא שינו את המבנה הכימי הכולל של החומר, והפיכת החומרים הביולוגיים האורגניים המטופלים באופן משמעותי יותר תואמים והידרופיליים עם רקמות אנושיות באמצעות ניסויים השוואתיים עם תאים ביולוגיים מתורבתים, מה שמסייע מאוד ביישומים ביולוגיים רפואיים.
3.2. בתחום החקירה הפלילית
בתחום החקירה הפלילית, טביעות אצבעות שימשו כראיות ביולוגיות חשובות שהותירו חשודים בתיקים פליליים בזירת הפשע מאז שהתגלה כי טביעות אצבע ייחודיות כמו DNA. פעם שיטות ישנות עלולות להוביל לנזק לדוגמא ולהקשות על איסוף ואחסון מוצגים. למחקר הנוכחי יש תוצאות יוצאות מן הכלל עבור טביעות אצבע משטח אובייקט לא חודר, כגון קלטת, תצלומים, זכוכית וכו'. הדמיית זוהר UV" ו"הדמיית החזרת לייזר UV" משמשות לצפייה ולתעד זיהוי ואיסוף של טביעות אצבע על ידי הקרנת UV לייזר של טביעות אצבע פוטנציאליות באמצעות מסנני פס פס ב-266 ננומטר ו-340 ננומטר בהתאמה. שבעים אחוז מ-120 הדגימות שנבדקו בניסוי זוהו בהצלחה. טכניקת הגלים הקצרים UV מגדילה את שיעור ההצלחה של טביעות אצבע פוטנציאליות, והקלות והמהירות שבה ניתן לשלוט במאפיינים האופטיים הופכים אותה למבטיחה לשימוש במדע באולם בית המשפט. כתמי רוק באתר, ניתן לזהות תאים מפולפים, כתמי דם, שיער עם זקיקי שיער ודגימות ביולוגיות נפוצות אחרות באמצעות זיהוי UV. עם זאת, כאשר נעשה שימוש בלייזר UV קצר גל 266 ננומטר כדי להקרין דגימות ביולוגיות במרחק קבוע ובמשכי זמן שונים ולאחר מכן לחילוץ DNA, נמצא שללייזר UV בעל גלים קצרים 266 ננומטר הייתה השפעה רצינית על תוצאות ה-DNA של חמישה סוגים נפוצים של עדויות ביולוגיות: טביעות אצבע, ב. כתמי מים, כתמי רוק, תאים נשפכים ושיער עם זקיקי שיער, אך רק במידה פחותה על זיהוי DAN ביולוגי לשיער כולל זקיקי שיער, רוק וכתמי דם. לייזרים UV עם גלים קצרים יכולים להשפיע על חלק מהחומרים הביולוגיים של DNA, ולכן יש לבחור בקפידה את שיטת המיצוי עבור ערכה הראייתי במהלך חקירות משפטיות.
3.3. יישומי לייזר UV על לוחות מעגלים משולבים
ייצור מגוון רחב של לוחות מעגלים בתעשייה, החל מהחיווט הראשוני ועד לייצור שבבים משובצים זעירים בדייקנות הדורשים תהליכים מתקדמים, מעגלים גמישים בתוך מעגלים משולבים, מעגלים למינציה בפולימרים ונחושת כולם דורשים קידוח וחיתוך מיקרו-חורים. כמו גם תיקון ובדיקה של חומרים על הלוחות, המצריכים לרוב שימוש במיקרו-ייצור ועיבוד. טכנולוגיית מיקרו-עיבוד בלייזר היא ללא ספק הבחירה הטובה ביותר לעיבוד של לוחות מעגלים. הלייזר אינו בא במגע עם המוצר המיועד לעיבוד במהלך התהליך, ובכך נמנע למעשה מכוחות מכניים, מה שגורם לעיבוד מהיר, גמישות גבוהה וללא דרישות מיוחדות למקום העבודה, שיכול להגיע לגדלים תת-מיקרוניים באמצעות הגדרה מדויקת של הלייזר פרמטרים ועיצוב מחקר. שיטות הקידוח המסורתיות יותר המשמשות במעגלים הן השימוש בלייזרי UV ובלייזרי CO2 לסימון לא מתכתי (לייזרי CO2 עם אורך גל של 10.6 מיקרומטר משמשים לסימון חומרים לא מתכתיים; אורכי גל של 1064 ננומטר או 532 ננומטר הם בדרך כלל משמש לסימון חומרים מתכתיים). נכון לעכשיו, עדיין נעשה שימוש בעיקר בטכנולוגיית עיבוד לייזר UV, שיכולה להשיג עיבוד ברמת מיקרון, דיוק גבוה, יכולה לייצר התקני מיקרו-אפס עדינים במיוחד, ניתנת ליישום על נקודה של פחות מ-1 מיקרון של קרן הלייזר של מיקרו-חור מעבד. עם זאת, לייזרים CO2 משמשים בעיקר לחורים בין 75 ל-150 מ"מ ונוטים לחוסר יישור בחורים קטנים, בעוד שניתן להשתמש בלייזרי UV עבור חורים עד 25 מ"מ בדיוק גבוה וללא חוסר יישור. לדוגמה, בעיבוד "קר" של מעגלים מצופים נחושת עם לייזרים UV femtosecond, נעשה שימוש בשיטת איזון מקיפה להשגת פרמטרי התהליך האופטימליים, ולאחר מכן נעשה שימוש במאפייני התחריט הסלקטיביים להשגת איכות גבוהה ויעילות גבוהה תחריט מיקרו קו של משטחים מצופים נחושת ברוחב קו של 50 מיקרומטר וגובה קו של 20 מיקרומטר.
3.4 עיבוד והכנה של רכיבים מיקרו-אופטיים
בעידן טכנולוגיית המידע וההתפתחות המהירה של התעשייה המודרנית, הצורך לבנות יותר מערכות ניסיוניות בשטח קטן יותר ולהשיג יותר פונקציות מחייב פיתוח מואץ של טכנולוגיית מידע, וחשוב מכך, ייצור של מערכות קטנות יותר, ממוזערות ומלאות. מכשירים פונקציונליים שמעבדים רק את הקשרים הכימיים על פני החומר. יש לו יישומים וערך מחקרי חשוב בתחומי תקשורת מכ"ם צבאית, טיפול רפואי, תעופה וחלל וביוכימיה. חיתוך ואופטימיזציה מעמיקים יותר ומחקר ופיתוח של יישומים על רכיבים מיקרו-אופטיים בקנה מידה ננו אפשרי, המשנים את הפונקציות והמאפיינים של רכיבים אופטיים מסורתיים. יתרון למיקרו-אופטיקה היא קלה לייצור המוני, קלה למערך, קטנה, קלה וגמישה, אך החומר העיקרי הוא זכוכית קוורץ. זכוכית קוורץ נוטה להיסדק ולכתש במהלך היישום והטיפול והיא חומר קשיח ושביר, המפחית משמעותית את תכונותיו האופטיות. כתוצאה מכך, טכנולוגיית העיבוד "קרה" בכתיבה ישירה של לייזר UV שיפרה מאוד את היעילות של מכשירים מיקרו-אופטיים, מאפשרת עיבוד מהיר של רכיבים מיקרו-אופטיים בעלי דיוק גבוה ומבנה עדין מבלי לפגוע בחומר, ומאפשרת עיבוד גמיש של קבוצות גדולות וקטנות עם דרישות שונות. בעוד שמכוני מחקר זרים חקרו עיבוד UV-UV של פרוסות סיליקון מוקדם יותר, מחקר מקומי על טכנולוגיית חיתוך פרוסות סיליקון והיבטים נערך רק לאחר התחלה מאוחרת יחסית. חיתוך אופטימלי של שלוש פרוסות סיליקון מאותו חומר (0.18 מ"מ, 0.38 מ"מ ו-0.6 מ"מ) עם צמצם מינימלי של 45 מיקרומטר ודיוק עיבוד של 20 מיקרומטר, ללא סדקים בחומר, פחות השפעה תרמית של הלייזר ופחות ניתזים.
3.4. יישומי לייזר UV בתעשיית המוליכים למחצה
עיבוד מיקרו של חומרים מוליכים למחצה בלייזרי UV זוכה לתשומת לב גוברת בשנים האחרונות. אלפי רכיבי מעגל צפופים נפוצים מאוד במעגלים משולבים, ולכן נדרשות כמה שיטות טיפול ועיבוד דיוק גבוה, כמו גם כמה מכשירים והתקנים בעלי דיוק גבוה כגון חומרים מוליכים למחצה סיליקון וספיר וסרטים דקים מוליכים למחצה אחרים של מיקרו-עיבוד מדויק על ידי לייזר UV ולחקור את המאפיינים הספקטרליים של הסרט, בעוד שלייזר UV יכול גם להגביר את ניצול אנרגיית האור של חומרי סיליקון, אך גם לבצע שינויים במבנה המיקרו של פני הסיליקון, דבר המסייע לפיתוח של פאנלים סולאריים, כגון שני- סורג מיקרו ממדי וכו'.
4. דברי סיום
במהלך עשרות שנים של פיתוח ומחקר, הטכנולוגיה והיישומים של לייזר UV הפכו יותר ויותר נפוצות ובוגרות, וטכנולוגיית העיבוד העדינה ה"קרה" האופיינית ביותר לה מעבדת מיקרו ומטפלת במשטחים מבלי לשנות את התכונות הפיזיקליות של האובייקט, והיא בשימוש נרחב בתעשיות ובתחומים שונים כגון תקשורת, אופטיקה, צבא, חקירה פלילית וטיפול רפואי. עידן ה-5G, למשל, מייצר ביקוש לעיבוד FPC. עם המשך הפיתוח של תעשיית ה-5G והמרדף אחר צגי OLED גמישים על ידי יצרני האלקטרוניקה הגדולים, הביקוש למעגלים גמישים של FPC גדל במהירות, ואיתו גם הדרישה ללייזרי UV. מגמה זו תוביל בתקווה להתפתחות מהירה של טכנולוגיית ה-UV עצמה כדי להשיג פריצות דרך גדולות יותר בהספק וברוחב הפולסים, כמו גם לתחומי יישום חדשים. היישום של מכונות לייזר UV איפשר עיבוד קר מדויק של חומרים כגון FPC, בעוד שהגידול ההדרגתי ב-FPC הניע את הפריסה של 5G, שמאפייני האחזור הנמוכים שלו מספקים הזדמנויות בלתי מוגבלות לגלים חדשים של התפתחות טכנולוגית כמו טכנולוגיית ענן, האינטרנט של הדברים, חוסר נהג ו-VR. זהו כמובן קונספט משלים, וטכנולוגיות ויישומים חדשים יניעו בסופו של דבר פיתוח נוסף של לייזר UV.
ככל שצצים יותר ויותר גבישים חדשים להכפלת תדרים ומדיה רווחית, ככל שאורך הגל קצר יותר כך ישמש הספק של לייזר UV בעתיד בתעשיות נוספות כדי לקדם את הפיתוח של כל תחומי החיים, לייזר UV בתחום העיבוד יותר אינטליגנטי, יעיל ומדויק, שיעור חזרות גבוה, יציבות גבוהה היא מגמת הפיתוח העתידי.
