Принцип действия эксимерных лазеров
Эксимерные лазеры представляют собой разновидность газовых лазеров, в которых излучение генерируется за счёт переходов между возбужденными состояниями нестабильных молекул — эксимеров (excited dimers) или эксиплексов (excited complexes). Эти молекулы существуют только в возбужденном состоянии, тогда как в основном — не образуются или крайне неустойчивы. Типичный пример — молекулы редкоземельного газа (например, аргона, криптона, ксенона) в соединении с галогенами (фтор, хлор).
Энергетическая схема таких лазеров основана на переходе с возбужденного связанного состояния эксимерной молекулы в основное состояние, которое является потенциально отталкивающим, что обеспечивает крайне быстрое распадение молекулы и облегчает реализацию одночастотного короткоимпульсного генератора.
Типы активных сред
Наиболее широко используются следующие комбинации:
Все эти лазеры работают в ультрафиолетовом диапазоне, что делает их особенно полезными для задач, требующих высокой пространственной разрешающей способности — таких, как фотолитография, прецизионная обработка материалов, медицина.
Механизм возбуждения
Возбуждение активной среды эксимерного лазера осуществляется за счёт мощного электрического разряда, чаще всего — в виде импульсного продольного или поперечного разряда в газовой смеси под давлением, составляющим несколько атмосфер. Энергия разряда возбуждает атомы благородного газа, которые далее реагируют с молекулами галогена, образуя эксиплексы.
Типичная газовая смесь включает:
Длительность импульсов и особенности генерации
Импульс эксимерного лазера имеет длительность от нескольких до десятков наносекунд. В отличие от многих других газовых лазеров, эксимерные устройства практически всегда работают в импульсном режиме, поскольку эксимерные молекулы имеют очень короткое время жизни (~10⁻⁹ с), и генерация на их основе невозможна в условиях устойчивой непрерывной накачки.
Импульсы могут достигать энергий от нескольких миллиджоулей до нескольких джоулей, при этом обеспечивается высокая пикова́я мощность, что критически важно для применения в лазерной абляции и микрообработке.
Резонаторная структура
Резонаторы эксимерных лазеров имеют сравнительно простую конструкцию, обычно симметричную, с зеркалами, устойчивыми к агрессивному воздействию коррозионных газов. Зеркала часто изготавливаются из материалов с высокой стойкостью к ультрафиолету (MgF₂, CaF₂, Al₂O₃). Для минимизации потерь и компенсации абсорбции в атмосфере лазеры монтируют в герметичных корпусах с продувкой инертным газом или с оптическими окнами.
Кинетика и энергетическая эффективность
Характерная особенность — низкий квантовый выход, обусловленный тем, что большая часть энергии уходит на ионизацию, возбуждение несветящихся состояний и разогрев газа. Типичный КПД составляет 1–3 %.
Для увеличения эффективности применяются схемы с предварительным ионизирующим импульсом (прецидионный разряд), который создаёт начальное распределение электронов, облегчая запуск основного разряда и снижая его флуктуации.
Особенности лазерного излучения
Преимущества эксимерных лазеров
Недостатки и технологические ограничения
Применения эксимерных лазеров
Перспективы развития
Несмотря на появление альтернативных источников УФ-излучения (например, лазеров на твердотельных средах с удвоением/утроением частоты), эксимерные лазеры сохраняют уникальные преимущества. Современные разработки направлены на:
Эксимерные лазеры остаются незаменимыми в ряде критически важных задач, требующих сочетания высокой пространственной точности, короткой длительности импульса и ультрафиолетового спектрального диапазона.