紫外固體激光器正在涌現(xiàn)出更多的新應(yīng)用 

短波紫外激光是指波長介于200 nm-280 nm的紫外激光，具有波長短、聚焦性能好、光子能量高、可進(jìn)行冷處理，能激發(fā)特定的光化學(xué)反應(yīng)，具有使用率與精密化高等特點(diǎn)，在微電子、微機(jī)械、光存儲(chǔ)、光譜分析、大氣探測、生物醫(yī)學(xué)、精細(xì)標(biāo)記、激光精密加工、前沿科學(xué)及航空航天等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價(jià)值。

紫外激光器分類

已經(jīng)報(bào)道的短波紫外固體激光器波長有213 nm，216 nm，236 nm，237 nm，244 nm，257 nm，261 nm，266 nm等。

紫外激光器主要分為固體紫外激光器、氣體紫外激光器和半導(dǎo)體紫外激光器。工作在短波紫外波段的新興半導(dǎo)體抽運(yùn)全固態(tài)激光器相較于其他類型的激光器而言，具有效率高、性能可靠、硬件結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，因此應(yīng)用*為廣泛。

在紫外激光器設(shè)計(jì)中，紫外激光的輸出功率和光束質(zhì)量主要依賴于非線性晶體的好壞。自從非線性晶體問世以來，有許多紫外非線性晶體被研制出來并投入到紫外激光器的研制中，比較常用的有BBO、LBO、BIBO、CLBO、KBBF。通過非線性變頻技術(shù)對(duì)激光器基頻光進(jìn)行四倍頻或者五倍頻得到紫外光。

短波固體紫外激光器的典型應(yīng)用

紫外拉曼

拉曼光譜分析所使用的紫外激光器波長一般在244 nm到364 nm范圍內(nèi)。

短波紫外激光器正在拉曼光譜領(lǐng)域涌現(xiàn)出新應(yīng)用。對(duì)于某些特定樣品來說，紫外激光與樣品相互作用的方式與可見激光不同，拉曼信號(hào)可以通過共振拉曼信號(hào)得到增強(qiáng)，很大程度上擴(kuò)寬了拉曼光譜在物理、化學(xué)、生物、材料等領(lǐng)域中的應(yīng)用。例如：紫外光在半導(dǎo)體材料中的穿透深度一般在幾個(gè)納米的量級(jí)，因而紫外拉曼可以用來對(duì)樣品表面的薄層（常見于新型硅基材料SOI材料)進(jìn)行選擇性分析。紫外光激發(fā)也可以與蛋白質(zhì)、DNA、RNA等生物樣品產(chǎn)生特定的共振增強(qiáng)進(jìn)而對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特定的分析，而使用可見光激發(fā)則無法實(shí)現(xiàn)。紫外拉曼在探測金屬中心合成物、富勒分子、聯(lián)乙醯以及其他的稀有分子上也是一種重要的技術(shù)，這些材料對(duì)于可見光都有著很強(qiáng)的吸收；200 nm的激勵(lì)光能夠增強(qiáng)氨基化合物的振動(dòng)峰；而220 nm的激勵(lì)光則可以增強(qiáng)特定的芳香暫留物的振動(dòng)峰等。

使用紫外激發(fā)可以抑制熒光的影響，因?yàn)樵谧贤夤饧ぐl(fā)下拉曼信號(hào)和熒光信號(hào)在不同的光譜區(qū)域，不會(huì)受到干擾。而使用可見激光激發(fā)時(shí)，拉曼信號(hào)和熒光信號(hào)往往會(huì)重疊在一起，又由于熒光的信號(hào)強(qiáng)度是拉曼信號(hào)強(qiáng)度所無法比擬的，因此熒光信號(hào)會(huì)干擾甚至完全湮沒拉曼信號(hào)。使用紫外激光激發(fā)時(shí)，拉曼信號(hào)仍位于靠近激光線附近的位置，而熒光則在較高波長的位置，由此拉曼和熒光信號(hào)不再重疊，熒光問題也不復(fù)存在。

2017年，中科院大連化物所李燦院士、范峰滔研究員、黃保坤高工等參與研發(fā)的7千米級(jí)深海原位探測紫外激光拉曼光譜儀在馬里亞納海溝成功通過7000 m海試驗(yàn)證。該光譜儀是國際上**進(jìn)行深海探測的紫外激光拉曼光譜儀，也創(chuàng)造了拉曼光譜儀*高深海探測記錄（7449 m）。該儀器的成功研發(fā)將提升我國在深海礦藏、能源資源（天然氣水合物）、碳循環(huán)與氣候變化以及深海生物信息方面的探測能力。

激光雷達(dá)

氣溶膠雷達(dá)，主要用355 nm和532 nm激光

測風(fēng)雷達(dá)，主要用1550 nm激光

臭氧雷達(dá)，主要用266 nm激光

隨著技術(shù)的發(fā)展和完善，激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍越來越廣，其中環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域就是很重要的一個(gè)方面，它可以用來測量顆粒物、臭氧、溫度和濕度的變化等等。通過測量激光達(dá)到顆粒物或者氣體分子上的后向散射光的消光比或者偏振狀態(tài)變化，從而分析出大氣中的顆粒物或氣體成分，以及他們的分布高度、濃度等情況。

氣溶膠雷達(dá)，主要用355 nm和532 nm兩種波長的激光；測風(fēng)雷達(dá)，主要用1550 nm激光；臭氧雷達(dá)，由于短波紫外波段可被臭氧層所阻隔，主要用266 nm激光，紫外波段具有散射強(qiáng)度大，抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以用于近距離的大分子探測，因此適用于臭氧探測。下圖是大氣臭氧雷達(dá)示意圖。

光致發(fā)光

光致發(fā)光是指光照射到樣品上，被樣品吸收，產(chǎn)生光激發(fā)過程。光致發(fā)光光譜用于探測材料的電子結(jié)構(gòu)，是一種非接觸、無損傷的測試方法。光致發(fā)光的數(shù)量與類型依研究的物質(zhì)與使用的激光波長而定。選擇適當(dāng)?shù)募す獠ㄩL一般可避免不必要的熒光干擾。GUILD寶石實(shí)驗(yàn)室在檢測某藍(lán)寶石樣品時(shí)發(fā)現(xiàn)其在長波長紫外光下無熒光，在短波紫外光下呈現(xiàn)強(qiáng)度不等且不均勻的藍(lán)白色、黃綠色等顏色異常熒光。

刑偵領(lǐng)域

使用266 nm激光對(duì)指紋進(jìn)行顯現(xiàn)

激光應(yīng)用于指印檢測領(lǐng)域以來，國內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究也取得了一系列的成果。然而，短波紫外激光在潛指紋顯現(xiàn)中的應(yīng)用較少，紫外反射照相方法作為一種無損檢驗(yàn)方法，尤其對(duì)玻璃、照片等非滲透性客體表面指紋顯現(xiàn)具有突出效果。

266 nm激光對(duì)指紋進(jìn)行顯現(xiàn)，有效地提取了該類客體表面的潛在指紋。該波段激光器具有高的光學(xué)品質(zhì)和良好的熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性、光漫反射特性等優(yōu)點(diǎn)，而且制造成本低、生產(chǎn)周期短，可以很容易地控制其光學(xué)特性，在法庭科學(xué)領(lǐng)域有較大應(yīng)用前景。

紫外加工

紫外激光器具有其它激光器所不具備的好處，能夠限制熱應(yīng)力。例如，應(yīng)用在FPC中，由于紅外或可見光波段激光束的加工機(jī)理是將光能轉(zhuǎn)變成為熱能，使得物質(zhì)融化或者蒸發(fā)，這種方式不可避免的導(dǎo)致激光熱量以熱傳導(dǎo)和熱輻射的方式向材料區(qū)域周圍擴(kuò)散，產(chǎn)生重熔層和熱影響區(qū)域，從而限制了微細(xì)加工邊緣的質(zhì)量和精度。而紫外激光由于光子能量高，在與PI等高分子聚合物材料作用時(shí)，可將光能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饣瘜W(xué)能，直接破壞部分連接物質(zhì)原子或者分子組分的化學(xué)鍵，達(dá)到去除材料的目的。紫外激光這種“冷消融”工藝，可以將沖緣加工、碳化以及其它熱應(yīng)力的影響降至*低，而使用更高功率的激光器通常都會(huì)存在這些負(fù)面影響。

紫外激光器的波長比可見光波長更短，是不可見的，但短波紫外激光器能夠更**地聚焦，從而在精細(xì)加工的同時(shí)，還能保持優(yōu)良的定位精度。

為了搶占短波紫外激光器的市場，各類激光器都開始進(jìn)入短波紫外產(chǎn)品的研發(fā)。2017年加拿大麥吉爾大學(xué)的研究人員制造出了一種氮化鋁鎵（AlGaN）激光二極管，其能夠輸出波長239 nm的短波紫外光，但短波紫外半導(dǎo)體激光器剛剛興起，技術(shù)還不是很成熟；銅蒸汽紫外激光器主要是通過混頻和倍頻來產(chǎn)生波長為255 nm，271 nm和289 nm的紫外激光，這種激光器占地面積大、可靠性有限、壽命短、高能耗和高費(fèi)用；KrF準(zhǔn)分子激光器，波長248 nm，激光光束質(zhì)量差、掩膜損失大；氬、氪離子倍頻激光器和氦-鎘激光器存在光束指向性差等缺點(diǎn)，固體紫外激光器凸顯了它的優(yōu)勢。

總之，隨著新型增益晶體、倍頻晶體的不斷問世，以往晶體加工技術(shù)的不斷提高，短波長紫外固體激光器的輸出功率越來越高，輸出波長越來越短，激光器結(jié)構(gòu)越來越簡化，相信以其獨(dú)有的優(yōu)勢，可以在眾多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，有更好的發(fā)展前景。

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