Kennen Sie die industrielle Anwendung von DPSS-Lasern? (Teil 3)

DPSS-Festkörperlaserist ein Hochleistungslaserprodukt, eine neue Generation von Festkörperlasern mit langer Lebensdauer, geringem Stromverbrauch, hoher Stabilität, hohem Signal-Rausch-Verhältnis, hoher Strahlqualität, Miniaturisierungsfähigkeit und anderen Vorteilen.

5. Quantentechnologie

Der aufstrebende Bereich der Quantentechnologie verspricht bedeutende Entwicklungen in verschiedenen Bereichen, darunter Metrologie, Cybersicherheit und Informatik. Es gibt bereits viele Organisationen, die sich auf Atomuhren verlassen, um genaueste Zeitmessungen durchzuführen, und es gibt eine massive Bestrebung, Quantengravimeter aus dem Labor ins Feld zu bringen, um den Magmafluss in Eiskappen und Vulkanen zu überwachen. Ölexplorationsunternehmen haben ein Leck in tausenden Kilometern unter dem Meer verlaufenden Pipelines entdeckt, das für die Industrie zu kostspielig wäre. GPS wird heute täglich in Autos, Mobiltelefonen und neuerdings auch in IoT-Smart-Geräten verwendet. Aber was passiert, wenn man einen langen Tunnel betritt oder tief unter der Erde graben möchte? Der aktuellen Technologie fehlt die nötige Genauigkeit, um in dieser Situation zu navigieren, aber „Positionierung, Navigation und Timing“ (kurz PNT) ist eine der Schlüsseltechnologien, die im Zuge der Fortschritte in der Quantentechnologieforschung entwickelt werden.

Der Schwerpunkt der Quantentechnologie liegt auf der Verwendung präziser und stabiler Teilchen oder Atome. Das Verständnis der Eigenschaften dieser Atome hilft uns, die Genauigkeit unserer Zeit- und Raummessungen zu verbessern. Um mit diesen Atomen interagieren zu können, müssen sie zunächst abgebremst oder „gekühlt“ werden, um sie genauer untersuchen zu können. Um Atome zu kühlen und zu untersuchen, wird hochkohärentes Licht verwendet, beispielsweise diodengepumpte Festkörperlaser (DPSS). Bei Quantenanwendungen ist das vom Atom erwartete Signal umso besser, je schmaler die Linienbreite des Lasers ist. Es ist auch wichtig, die Wellenlänge zu wählen, die dem einzufangenden Atom zugeordnet ist. Mit der Entwicklung und Miniaturisierung einer optischen Punktuhr kann eine GPS-Genauigkeit unterhalb des Millimeterbereichs erreicht werden. Aufgrund der Präzision dieser Geräte ist auch davon auszugehen, dass sie autark sind, ohne dass eine kontinuierliche Satellitenkommunikation erforderlich ist. Quantensensoren sind ein weiterer Zweig der QT-Anwendungen, der das Potenzial hat, aktuelle Schwerkraft- und Magnetometrieanwendungen zu verbessern, die beide zur Untersuchung unterirdischer Strukturen oder sogar zum Auffinden von Objekten in der Tiefsee eingesetzt werden können.

6. Fluoreszenz

Photolumineszenz ist ein allgemeiner Begriff, der sowohl Fluoreszenz als auch Phosphoreszenz umfasst. Im engeren Sinne ist Fluoreszenz Licht, das bei der Anregung in einen der Singulett-Zustände innerhalb des Materials emittiert wird – normalerweise eine sehr schnelle Emission nach der Anregung –, während Phosphoreszenz Licht ist, das vom Triplett-Zustand emittiert wird – was zu einer langsameren und verzögerteren Lichtemission führt.

Photolumineszenz ist eine Form der Lumineszenz – die Emission von Licht durch ein Material, die durch die Absorption von Energie verursacht wird – die wiederum Lichtenergie absorbiert, wodurch das Material bei unterschiedlichen Wellenlängen emittiert.

Diese Begriffe werden normalerweise nicht in dieser spezifischen Weise verwendet, und im Allgemeinen kann man sich Fluoreszenz als einen schnellen Lumineszenzprozess nach Anregung vorstellen, normalerweise auf oder unter der Nanosekundenebene, im Gegensatz zur langsameren Phosphoreszenz, die normalerweise auf oder über der Mikrosekundenebene betrachtet wird . Während breitbandige Lichtquellen viel Photolumineszenz erzeugen können, erfordern viele Anwendungen hyperspektrale und räumliche Präzision, wie beispielsweise konfokale Mikroskopie, Kristalldefektprüfung oder dynamische Mischungen aus Fluoreszenzfarbstoffen und Fluorophoren.

Viele Anwendungen kombinieren Fluoreszenz mit anderen Messungen, beispielsweise Raman, wobei die Fähigkeit beider Techniken, dieselbe Anregungsquelle zu verwenden, die Integration und Analyse von Daten vereinfacht. Ein typisches Beispiel ist die Herstellung und Forschung von Solarzellen, wo zwei Techniken zur Analyse stark strukturierter Oberflächen eingesetzt werden – zum Beispiel Fluoreszenz zur Überprüfung inhärenter Eigenschaften wie Trägerlebensdauer oder Effizienz und Raman-Mikroskopie zur Bestimmung der Gleichmäßigkeit der Merkmale.

7. Optische Pinzette

Optische Pinzetten, auch optische Manipulation oder optische Erfassung genannt, sind eine Technik, die den Einsatz hochfokussierter Laser zum Erfassen und Bewegen kleiner Partikel ermöglicht. Wenn der Laser auf das Partikel fokussiert wird, ändert sich sein Brechungsindex und seine Bewegungsrichtung ändert sich geringfügig, wobei er sich entlang eines Gradienten der elektrischen Feldstärke bewegt. Dies übt die entgegengesetzte Kraft auf das Teilchen aus, und wenn das Teilchen kleiner als der Strahl selbst ist, wird es in der Mitte der Strahltaille „gefangen“, wo die elektrische Feldstärke am größten ist.

Dies hat sich in vielen Bereichen als sehr nützliches Werkzeug erwiesen. Mit dieser Technologie wird alles manipuliert, von einzelnen Atomen bis hin zu maßgeschneiderten winzigen Maschinen und biologischen Zellen. Die meisten biologischen Proben werden durch NIR-Strahlung (z. B. 1064 nm) nicht geschädigt. Dadurch können Wissenschaftler jetzt problemlos einzelne Bakterien und Viren für Studienzwecke isolieren, ohne sie mechanisch zu beeinträchtigen. Der Schlüssel zu dieser Technologie liegt in einem „festen Halt“ der Partikel, einer hervorragenden Leistung und Ausrichtungsstabilität sowie einer hervorragenden Strahlrundheit und geringem Rauschen.

8. Fotoätzung

Bei der Lithographie handelt es sich um die Übertragung eines entworfenen Musters auf eine flache Oberfläche, entweder direkt oder über ein Zwischenmedium – mit Ausnahme von Oberflächenbereichen, auf denen das Muster nicht benötigt wird. Bei der Fotomaskenlithographie wird das Design auf dem Substrat strukturiert und mit einem Laser freigelegt, sodass das abgeschiedene Material als Vorbereitung für die weitere Verarbeitung weggeätzt werden kann. Dieses Lithographieverfahren wird häufig in der Massenproduktion von Halbleiterchips eingesetzt.

Die Fähigkeit, scharfe Bilder kleiner Strukturen auf den Chip zu projizieren, wird durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts begrenzt. Aktuelle hochmoderne Lithographiegeräte verwenden Licht im tiefen Ultraviolett (DUV), und diese Wellenlängen werden weiterhin tiefes Ultraviolett (193 nm), Vakuum-Ultraviolett (157 nm und 122 nm) und fernes Ultraviolett (47 nm und 13 nm) umfassen nm) in der Zukunft. Auf den IC-, MEMS- und biomedizinischen Märkten, wo die Nachfrage nach einer breiten Palette an Funktionen und Substratgrößen wächst, treiben komplexe Produkte und häufige Designänderungen die Kosten für die Herstellung dieser hochgradig kundenspezifischen Lösungen bei geringeren Stückzahlen in die Höhe. Herkömmliche, auf Fotomasken (Fotomasken) basierende Lithografielösungen sind für viele dieser Anwendungen weder wirtschaftlich noch praktisch, da sich die Kosten und die Zeit, die für die Entwicklung und Herstellung einer großen Anzahl von Maskensätzen erforderlich sind, schnell summieren können.

Allerdings sind maskenlose Lithographieanwendungen nicht von den Anforderungen an sehr kurze ultraviolette Wellenlängen betroffen, sondern verwenden stattdessen Laser im blauen und ultravioletten Bereich. Bei der maskenlosen Lithographie erzeugt der Laser Mikrometer- und Nanostrukturen direkt auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Materials. Diese allgemeine Lithographiemethode ist nicht auf Maskenverbrauchsmaterialien angewiesen und kann Layoutänderungen schnell durchführen. Dadurch wird das schnelle Prototyping und die schnelle Entwicklung einfacher, mit dem Vorteil einer größeren Designflexibilität bei gleichzeitiger Beibehaltung einer großen Flächenabdeckung (z. B. 300-mm-Halbleiterwafer, Flachbildschirme oder Leiterplatten).

Um den Anforderungen einer schnellen Produktion gerecht zu werden, verfügen maskenlose Lithografielaser über ähnliche Eigenschaften wie bei Fotomaskenanwendungen:

Dauerstrichquellen mit langfristiger Leistungs- und Wellenlängenstabilität und schmalen Linienbreiten bedeuten weniger Schwankungen in der Maskensignatur.

Für beide Anwendungen ist eine langfristige Stabilität mit wenig bis gar keiner Wartung oder Unterbrechung der Produktionszyklen wichtig.

DPSS-Laser mit ultrastabiler schmaler Linienbreite, Wellenlängenstabilität und Leistungsstabilität eignen sich gut für beide Lithographiemethoden.

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