книги / Промышленное применение лазеров

(что требует измерения временных задержек излучения) и рассмат­ риваемых методов.

Микроскопия. Оригинальная идея двухступенчатого голографи­ ческого микроскопа, предложенная профессором Д. Габором, состояла в использовании электронных волн или рентгеновских лучей на пер­ вом этапе получения голограммы и освещения видимым светом на втором для получения воспроизведенного изображения с высоким разрешением. Изображение может быть очень сильно увеличено, и, кроме того, оно имеет глубину, чего нельзя получить обычными средствами. Наконец, увеличенное изображение может быть трехмер­ ным. Качество изображения намного лучше по сравнению с качеством изображения, получаемого с помощью хорошо разработанных мето­ дов обычной микроскопии для традиционных применений.

Однако оригинальная идея Габора до сих пор не осуществлена. Для достижения увеличения, сравнимого с увеличением электронно­ го микроскопа, на практике необходимо иметь когерентный рентге­ новский источник, правильно разместить опорный источник и подго­ товить объект, следить за аберрациями голограмм и уровнями интен­ сивности. Это только некоторые из проблем, которые должны быть решены, прежде чем будет экспериментально создан рентгеновский голографический микроскоп с увеличением, позволяющим разре­ шать размеры атомов.

Голографическая микроскопия используется для исследования трехмерных записей способом, который не мог быть осуществлен до сих пор. Так как воспроизведенное изображение можно исследовать в спокойной обстановке, форму и распределение малых объектов можно изучать более подробно, даже если их положения могут впо­ следствии измениться. Голограммы, полученные с помощью им­ пульсного лазера, замораживают движение частиц в исследуемом объеме. Пленка обрабатывается и освещается так, чтобы получить воспроизведение участка объема с большой глубиной. При фокуси­ ровке на отдельной плоскости изображения можно рассматривать детали в этой плоскости. Эти методы находят применение при изу­ чении аэрозолей и измерении распределения их частиц оптическим

секционированием голограммного изображения. Аналогичные мета, ды применяются для исследования голографических изображений микроскопической флоры и фауны. Распределение в некоторый мо­ мент времени может быть запечатлено и исследовано по трем изме­ рениям, что до сих пор было невозможно. Эти методы могут найти также применение в ядерной физике при изучении следов в пузырь­ ковой камере.

Задачи автоматизации экспериментальных исследований тех­ нологических лазеров и лазерной обработки материалов. Для этого требуется экспериментальное изучение систем жизнеобеспечения (газонаполнения, поддержания состава смеси, охлаждения, питания

ит.п.), физических процессов, происходящих в активном резонаторе (электроразрядной камере, в самом резонаторе при введении в него специальных элементов для модуляции добротности, при юстировке

ит.д.), измерение характеристик излучения и его транспортировка

взону обработки. Очевидно, в зависимости от типов лазерных уста­ новок и поставленной задачи удельный вес перечисленных работ может быть разным.

Для исследования систем жизнеобеспечения и их влияния На параметры установки должно проводиться измерение соответствую­ щих характеристик: давления, концентрации газов, температуры, скорости потоков в реальном времени, причем количество и требуе­ мые типы датчиков могут быть самыми разными. Возможность из­ мерять указанные характеристики служит основой и для решения задачи поддержания их в определенном интервале значений, управ­ ления ими по заданному закону. Важной частью экспериментов яв­ ляется оптимизация систем накачки в электроразрядных лазерах, при этом необходимо контролировать токи, другие параметры разряда,

втом числе влияющие на неоднородность оптических характеристик

активной среды. Для определения такой неоднородности целесооб­ разно использовать оптические, в том числе интерферометрические, методы, особенности которых сточки зрения автоматизации рас­ смотрены ранее. Измерение пространственных, временных, энерге­ тических и спектральных характеристик излучения технологических

лазеров позволяет экспериментально исследовать физические про­ цессы в активной среде, оптимизировать режимы работы лазера за счет введения обратной связи, управлять мощностью, поляризацией и другими характеристиками выходного излучения.

Очевидно, эти же измерения необходимы и для проведения экс­ периментов непосредственно при обработке материалов, поскольку для технологических процессов требуется дозировка излучения. В определенных случаях для контроля состояния обрабатываемого объекта (например, температуры на поверхности) целесообразно ис­ пользование контактных и бесконтактных датчиков, следовательно, требуется сбор данных, характеризующих состояние объекта, истин­ ную траекторию движения луча.

Наконец, важным условием является эксплуатационная надеж­ ность разрабатываемых лазерных установок, что приводит к необхо­ димости тестирования применяемого оборудования и контроля с це­ лью предотвращения аварийных ситуаций.

Из проведенного выше анализа следует, что эксперименталь­ ные исследования в области лазерной технологии характеризуются разнообразием применяемых методов и средств, необходимостью обработки больших массивов данных, управления различными уст­ ройствами и т.д. Это делает очевидным необходимость автоматиза­ ции как с точки зрения повышения эффективности, так и принципи­ альной невозможности проведения полноценных экспериментов без применения средств вычислительной техники.

4.5.10. Оптоэлектроника

Под оптоэлектроникой, как известно, понимаются детали и осо­ бенности систем, содержащих излучатель; устройства, направляю­ щие, обрабатывающие и канализирующие луч и фотоприемник. Та­ кие системы в настояпдее время находят широкое применение для создания связных комплексов разного уровня: от связи отдельных частей ЭВМ между собой до межконтинентальных кабельных линий связи. При этом из-за того, что в настоящее время наилучшими па­

раметрами	обладают	кварцевые световоды в диапазоне длин волц
X = 1,0-5-1,4 мкм (потери 0,5 дБ/км), причем такие длины волн удается
получить	с помощью	инжекционных полупроводниковых лазероц.

имеющих сравнительно широкий спектр и большую нестабильность частоты, надежная связь по таким световодам может осуществляться при использовании только импульсной модуляции луча. Вторым важным направлением использования систем оптоэлектроники явля­ ется передача с их помощью колебаний СВЧ, несущих ту или иную информацию (чаще всего в фазированных антенных решетках). В этом случае СВЧ колебания модулируют лазерный луч на одном конце световода, а на втором его конце производится демодуляция с помощью малоинерционных фотоприемников, причем достижимые в настоящее время при этом потери (порядка 16 дБ) в ряде случаев имеют тот же уровень, что и протяженные и громоздкие волновод­ ные тракты СВЧ.

Наиболее быстро развивающимся направлением оптоэлектрони­ ки в настоящее время является интегральная оптика. Интерес к ней вызван возможностью создания надежных малогабаритных устройств для оптической обработки информации, управления и каналирования оптического излучения. На основе оптических волноводных элемен­ тов, интегрированных на общей подложке и управляемых электриче­ скими и оптическими сигналами, возможно создание модуляторов, коммутаторов, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразовате­ лей, логических устройств, процессоров, приемных и передающих мо­ дулей, частотно-селективных оконечных устройств для световодных систем передачи и обработки информации, а также других элементов информационной техники, которые по удельному энергопотреблению способны конкурировать с микроэлектронными аналогами, а по быст­ родействию могут значительно превосходить их.

Замена в информационных системах электрических цепей оп­ тическими позволяет на 3^4 порядка повысить быстродействие и ем­ кость таких систем, а переход к оптическим и оптоэлектронным ин­ тегральным схемам дополнительно дает значительный выигрыш как

по энергопотреблению, так и в габаритных размерах и надежности систем в целом.

Видно, что квантовые и оптоэлектронные приборы широко ис­ пользуются сегодня и им принадлежит большое будущее.

4.5Л1. Химия

В качестве научного прибора лазеры уже применялись в химии для спектроскопических исследований и для изучения кинетики хи­ мических реакций с помощью импульсного фотолиза. В результате этих исследований была получена полезная информация для разви­ тия теории химических реакций. Для целей спектроскопии лазер су­ щественно превосходит другие источники света. Спектроскопия вы­ сокой разрешающей силы с использованием перестраиваемого лазера также может быть ценным аналитическим инструментом.

Появление интенсивных перестраиваемых лазеров открыло но­ вые направления исследований в фотохимии. Для непосредственного инициирования процесса протекания химических реакций в нужном направлении лазер должен быть настроен на длину волны, соответ­ ствующую селективному поглощению молекул. Таким способом можно инициировать протекание химических реакций в направле­ нии, отличном от того, в котором бы они шли без фотовозбуждения.

Лазеры дают возможность осуществлять селективное возбуж­ дение выбранных состояний атомов и молекул или селективный раз­ рыв специфических химических связей. Такие процессы могут быть очень эффективны для инициирования химических реакций. Лазер можно настроить на молекулярный резонанс так, чтобы возбужда­ лись только некоторые избранные химические связи. Это дает воз­ можность проводить химические реакции в нужном направлении. Для исследования кинетики сверхскоростных химических реакций используется также техника пикосекундной спектроскопии. Получе­ ние оптических импульсов с длительностью КГ12 с и меньше от пе­ рестраиваемых лазеров на красителях с синхронизацией мод открыло совершенно новые области исследования.

Наиболее существенные преимущества лазерной фотохимии проявляются при разделении изотопов. В этом случае могут быть использованы небольшие сдвиги в спектрах поглощения молекул, содержащих различные изотопы интересующих нас атомов. Лазер настраивается на резонансное поглощение только одного из изото­ пов. Молекулы, содержащие данный изотоп, затем вступают в хими­ ческую реакцию и могут быть отделены от остальных каким-либо удобным способом. Этот процесс может иметь большое практиче­ ское значение особенно при разделении изотопов урана. Лазерное разделение изотопов урана может быть осуществлено двумя различ­ ными технологическими путями. Один из них связан с использова­ нием паров атомов урана. Этот процесс является двухступенчатой ионизацией. Он был продемонстрирован в 1974 г., когда впервые было получено небольшое количество обогащенного урана.

В другом лазерном методе вместо атомарного урана использу­ ются пары гексафторида урана UF6. Последовательное поглощение инфракрасных фотонов молекулой, содержащей выбранный изотоп, приводит к тому, что молекула перемещается по ступеням энергети­ ческой лестницы, находящимся примерно на равных расстояниях друг от друга до тех пор, пока она в конце концов не диссоциирует. Продукты диссоциации, содержащие нужный изотоп, могут быть удалены химическим способом.

Достоинство этого метода состоит в том, что в данном случае дело имеют с газом UF6, с которым легче работать, чем с коррозион­ но-активным паром атомарного урана. Демонстрация метода была осуществлена в 1976 г.

Разделение других изотопов также может иметь важное значе­ ние при производстве недорогих изотонически меченных веществ для медицины, научных исследований и промышленности. Изотопи­ чески обогащенные химические соединения широко используются в медицине для диагностических и терапевтических целей.

Лазерная спектроскопия комбинационного рассеяния использу­ ется для идентификации медикаментов, обнаружения следов лекар­ ственных препаратов в пробах крови или мочи, обнаружения мета­

болических побочных продуктов превращения лекарств в организме, определения примесей в продуктах различных типов, и в том числе в медицинских препаратах, и для изучения полимеров в растворах. Для проведения исследований по спектроскопии комбинационного рассеяния прозрачность образцов не требуется. Поэтому такие объ­ екты, как крупинки, химикаты, лекарства и покрытия, могут быть обычными образцами для анализа. Благодаря этим особенностям хи­ мические лаборатории становятся важным рынком для приборов ла­ зерной спектроскопии комбинационного рассеяния.

Единственными доступными перестраиваемыми лазерами яв­ ляются лазеры на красителях, которые могут использоваться в види­ мом и ближнем ультрафиолетовом участках спектра. Имеются также перспективы создания перестраиваемых лазеров других типов, осо­ бенно для инфракрасной области спектра.

4.5.12. Производство компонентов электронных схем

Лазеры нашли разнообразное применение в электронной про­ мышленности. Лазеры позволяют изготовлять элементы электронных схем путем непосредственного испарения части нанесенной на диэлек­ трическую подложку тонкой пленки с целью придания этой пленке не­ обходимой геометрической формы. Методом испарения под действием лазерного излучения можно изготовлять резисторы и конденсаторы не­ посредственно на тонкопленочных структурах. Лазер испускает непре­ рывную последовательность импульсов с пиковой мощностью 1 кВт, длительностью 200 нс и частотой повторения -400 Гц. С помощью объектива микроскопа лазерный пучок фокусируется в пятно диамет­ ром -8 мкм. При перемещении пучка происходит испарение узкой по­ лосы тонкой металлической пленки, нанесенной на кварцевую или сапфировую подложку. Система позволяет испарять полосу шири­ ной -1 мкм на золотой пленке и -0,4 мкм на нихромовой пленке со скоростью -2,5 мм/с. Процесс сопровождается относительно слабым повреждением материала подложки. Полосы на поверхности пленки свободны от остатков металла.

С помощью той же лазерной системы наносится совокупность тонких полос при изготовлении пленочных конденсаторов со структу­ рой тантал-хром-золото. Метод позволяет изготовлять конденсаторы емкостью ~20 пФ с малыми отклонениями от номинала. Величина ем­ кости изменяется путем регулирования ширины зазора между метал­ лическими полосами. С помощью лазера можно целиком изготовить тонкопленочную схему со всеми находящимися на ней резисторами и конденсаторами. Лазеры могут также применяться для изготовления фотошаблонов, используемых для травления микросхем, или шабло­ нов, пригодных для напыления элементов схемы на подложку.

Лазеры могут также использоваться для подгонки параметров электронных компонентов к номиналу за счет селективного удаления части материала. Для этого можно использовать лазеры, работающие в режиме повторяющихся имггульсов малой длительности.

Лазер может оказаться особенно удобным для подгонки тол­ стопленочных резисторов. По сравнению с методом подгонки путем абразивной обработки лазерный метод отличается высокой чистотой. Он позволяет подгонять сопротивления с высокой точностью в усло­ виях контроля его величины в реальном масштабе времени. Имеется возможность быстро приостановить процесс подгонки после того, как будет достигнуто требуемое сопротивление. После подгонки осуществляется герметизация резистора.

На рис. 4.24 показаны надрезы, выполненные с помощью лазера на АИГ с неодимом в процессе подгонки толстопленочного резистора.

Исследованы различные варианты геометрии надреза. Широко применяется L-образный надрез. Вначале осуществляют частичный надрез поперек оси резистора, а затем изменяют направление надреза на 90° Такая форма надреза позволяет лучше контролировать вели­ чину сопротивления. Если же надрез производится только поперек резистора, то в этих условиях значительно труднее выполнить необ­ ходимую точность подгонки (в особенности в тех случаях, когда надрез охватывает почти все сечение резистора). С помощью надреза L-образной формы возможно более постепенное приближение вели­ чины сопротивления к требуемому уровню.

сти, так как позволяет получать с высокой точностью рисунки слож­ ных микросхем.

Примером промышленного процесса, в котором используется испарение материала под действием лазерного излучения, может служить процесс подгонки монолитных кристаллических фильтров с помощью устройства на основе лазера на АИГ с неодимом. При помощи лазера испаряется часть золотых полос, служащих для связи между электродами, и это позволяет настроить фильтр с центральной

частотой, равной 8 МГц, с точностью до 3 Гц.
Для	иллюстрации	распространенности	лазерной техники
в табл. 4.13	перечислены	области электронной	промышленности,

в которых применение лазеров достигло уровня серийного производства. Таблица 4.13

Области широкого применения лазеров в электронной промышленности

	Область применения	Материалы	Тип лазера
	Подгонка тонкопленочных резисторов	Та, Cr, Ni - Сг	АИГ с неодимом
	Подгонка толстопленочных резисторов	Керметы	АИГ' с неодимом,
			С02-лазер
	Скрайбирование подложек	Глинозем	С02-лазер
	Скрайбирование подложек	Кремний	ЛИГ с неодимом
	Пробивка отверстий	Глинозем	С02-лазер

4.5.13. Изготовление фотомасок

Лазерное излучение используется для испарения небольших количеств хрома из пленки на поверхности стеклянных пластин с изображением фотомасок, используемых при производстве кри­ сталлов-подложек для интегральных схем. Применение такого мето­ да в широком промышленном производстве позволяет уменьшить число дефектов, приходящихся на одну маску, и повысить выход годных кристаллов для интегральных схем.