MKS Instruments의 UV 레이저

소형 자외선 레이저는 300nm 파장의 양쪽에서 각각 분석 측정 및 재료 가공 분야에서 점점 더 많은 응용 분야를 찾고 있습니다.

소형 UV 레이저 의 경우 기술 및 응용 분야의 발전으로 말 그대로 하늘이 한계가 될 수 있습니다. 예를 들어 NASA의 Perseverance 로버가 2월에 화성에 착륙했을 때 스캔 장비의 일부로 Photon Systems의 딥 UV 레이저를 탑재했습니다. 금속 증기 레이저는 생명체의 흔적을 찾는 로버의 검색을 지원하기 위해 유기물 및 광물에서 나오는 형광 방출 및 라만 산란의 매핑을 가능하게 합니다.

80W UV 하이브리드 파이버 레이저를 사용한 전자 장치의 고속 드릴링 및 절단. MKS Instruments 제공.

Photon Systems 레이저는 헬륨 실버 또는 네온 구리를 각각 224 및 248nm에서 방출하기 위한 레이저 매질로 사용합니다. 후자의 기술은 화성 임무에 사용되었습니다. 방출은 좁고 안정적이지만 빔 품질 제한으로 인해 최소 초점 스폿 크기는 ~3μm에 불과합니다. 100mW 피크 전력 출력에서 50µs 폭의 펄스를 가진 이러한 유사 CW 레이저는 재료 가공에 필요한 전력을 갖지 못하지만 측정 응용 분야에 사용할 수 있습니다.

Photon Systems의 영업 및 마케팅 이사인 Geoffrey Randolph는 회사의 레이저가 화성 임무에 중요한 이점을 제공한다고 말했습니다. 재료에서 라만 방출을 여기시키는 빛은 또한 일반적으로 희미한 라만 신호를 묻힐 수 있는 형광을 유발합니다. 그러나 248nm 레이저 파장 바로 위의 라만 방출 영역에서는 어떤 것도 형광을 발하지 않습니다. Randolph는 "역설적이게도 매우 짧은 파장의 레이저임에도 불구하고 라만 신호에는 형광이 없습니다."라고 말했습니다.

NASA의 Perseverance 탐사선은 2월에 SHERLOC(유기물 및 화학 물질용 Raman & Luminescence를 사용한 거주 가능한 환경 스캔) 장비 패키지를 원격 팔에 장착한 채 화성에 착륙했습니다. 이 장비는 부분적으로 248nm UV 레이저에 의존하며, 이는 과거 또는 현재 생명의 징후를 찾는 데 핵심적인 역할을 합니다. NASA의 의례.

둘 중에서 형광은 훨씬 더 민감한 분석 도구이지만 라만 분광법은 한 물질을 다른 물질과 더 쉽게 구별할 수 있습니다. 두 가지 기술을 하나의 작은 휴대용 기기에 결합하여 로버의 무게를 최소화하는 데 도움이 되었습니다. 그러나 제조, 환경 분석 및 공공 시설에도 유용할 수 있습니다.

Randolph는 특히 유틸리티 회사가 수요 증가와 공급 부족으로 인해 처리된 폐수의 직접적인 재사용을 고려하고 있다고 말했습니다. 폐수의 이러한 신속한 재사용에는 오염 물질이나 병원균이 존재하는지 여부를 확인하는 상응하는 빠른 방법이 필요합니다. UV 레이저는 그렇게 하는 수단을 제공할 수 있습니다.

"Deep UV 형광과 Raman은 잠재적으로 병리학적 바이러스와 박테리아를 분석하고 구별할 수 있는 능력을 가지고 있습니다."라고 그는 말했습니다.

Market Reports World의 2021년 8월 조사에 따르면 Photon Systems 및 기타 공급업체의 UV 레이저는 2021년에서 2027년 사이에 연평균 8.31%의 복합 성장률로 성장할 것으로 예상되는 시장을 구성합니다.

실험실 라만 분광법 설정의 266nm 파장 레이저. 소형 심자외선 레이저는 원격 폭발물 탐지를 위해 저전력 및 휴대성이 뛰어난 시스템을 가능하게 할 수 있습니다. UVC 포토닉스 제공.

이러한 소스의 응용 분야에는 ~300nm에서 응용 분야와 기술 사이의 대략적인 구분선이 있는 재료 처리 및 측정이 포함됩니다. 일반적으로 레이저 출력이 낮은 이 지점 아래에서는 측정 응용 분야가 우세합니다. 이 지점 이상에서 레이저는 더 높은 출력을 제공하고 마킹, 드릴링, 절단 및 점점 더 중요해지는 기타 마이크로머시닝 기능을 가능하게 할 수 있습니다.

“소비자 전자 제품이 점점 더 작은 장치로 이동함에 따라 더 많은 것들이 휴대 전화에 장착됨에 따라 UV 레이저가 더욱 중요해지고 있습니다. 자동차 및 태양광과 같은 다른 분야에서도 마찬가지입니다.”라고 MKS Instruments의 마케팅 수석 이사인 Herman Chui는 말했습니다.

MKS의 Light and Motion 사업부는 펄스, 연속파(CW) 및 준CW UV 레이저 제품군을 만듭니다. 후자의 범주는 매우 높은 반복 속도로 짧은 버스트를 방출하는 레이저를 포함하며, 응용 프로그램의 시간 상수가 펄스 사이의 시간보다 길기 때문에 실제 목적을 위해 연속파로 나타납니다.

MKS Instruments의 UV 레이저는 약 349~355nm 파장 방출을 중심으로 합니다. 이 회사의 레이저는 최대 80W 단일 모드 평균 출력을 제공합니다.

UV 기반 마이크로머시닝에 적용되는 이 기술은 작고 촘촘한 간격의 구멍을 드릴링하거나 기타 엄격한 사양의 재료 가공을 수행할 때 이점을 제공합니다. 예를 들어 파장에 따라 축소되는 최소 초점 스폿 크기를 허용합니다. 또한 대부분의 재료는 UV를 강력하게 흡수하므로 빔의 열 영향 영역이 더 작고 얕아지는 경향이 있습니다.

UV 레이저는 온보드 구성 요소가 계속해서 더 조밀하게 포장됨에 따라 인쇄 회로 기판의 점점 더 미세해지는 구멍과 기능을 미세 가공하는 가장 좋은 방법일 수 있습니다. UV 레이저 기반 접근 방식은 향상된 전기적 성능을 제공하는 새로운 재료를 가공할 때 더 잘 작동할 수도 있습니다.

그러나 대부분의 UV 레이저는 적외선 소스의 기본 파장에 의존한다고 Chui는 말했습니다. MKS Instruments의 많은 시스템은 근적외선 다이오드를 사용하여 네오디뮴 또는 이테르븀 도핑 수정 또는 광섬유 이득 매질을 펌핑하여 1000nm 빛을 생성합니다. 그런 다음 비선형 광학 결정이 이 파장을 3차 고조파로 변환하여 349~355nm의 출력 파장을 생성합니다. 이러한 결정은 변환 손실을 일으키기 때문에 결과 UV 빔은 적외선 소스보다 출력 전력이 적습니다.

변환 효율을 높이면 UV 레이저의 출력을 향상시킬 수 있으며 MKS는 그 목표를 향해 노력하고 있습니다. 문제는 일반적으로 레이저 변환 효율 개선과 결정 수명 유지 사이에 균형을 맞추는 행위가 있다는 것입니다.

DPSS Lasers의 사장인 Alex Laymon도 이 문제를 이해하고 있습니다. 이 회사는 이득 매질로 바나데이트(바나듐 이트륨 테트라옥사이드 또는 YVO4)를 사용하는 다이오드 펌핑 고체 레이저와 펄스 3차 고조파 355nm 출력을 생성하기 위해 주파수 3배를 위한 리튬 삼붕산염 결정을 만듭니다. DPSS Lasers는 300nm 미만에서 작동하는 UV 시스템을 제조하지 않습니다. 그렇게 하면 제품 수명이 단축될 수 있기 때문입니다. Laymon에 따르면 주파수를 266nm로 4배로 늘리는 데 필요한 베타 바륨 붕산염 결정은 그러한 고에너지 광자 플럭스에 노출될 때 충분히 오래 생존할 수 없습니다.

청색 LED 제조 공정의 일부로 UV 레이저로 새긴 사파이어. 정사각형 패드는 각 면에서 300µm이고 스크라이브 너비는 10µm입니다. DPSS 레이저 제공.

"UV 레이저는 다른 레이저 시스템보다 더 비쌉니다."라고 그는 말했습니다. "이를 막을 방법이 없습니다." 그러나 그는 비용이 주요 응용 프로그램에서 이점을 제공한다고 말했습니다. 예를 들어, 레이저 마킹은 DPSS UV 시스템의 양과 수익 측면에서 가장 큰 응용 분야입니다. 플라스틱 경화, 마이크로머시닝 및 표면 처리도 큰 시장을 대표합니다.

Laymon은 더 긴 수명, 더 작은 크기 및 가격 인하가 UV 레이저의 채택을 증가시킬 것이라고 예측했습니다. 그러나 그는 이러한 소스가 레이저 시스템 시장의 작은 비율만을 차지할 것이라고 말했습니다.

더 짧은 파장의 광자는 더 에너지가 많기 때문에 광학 경로를 따라 있는 모든 표면의 오염 물질과 더 강하게 상호 작용합니다. 세척 공정에서 남은 유기 잔류물과 같은 광학 부품의 오염은 UV 광자를 흡수하고 화학적 변화를 겪은 다음 고에너지 UV 광자와 훨씬 더 강력하게 상호 작용합니다. 이로 인해 광학 장치를 저하시키고 전체 시스템을 사용할 수 없게 만드는 폭주 프로세스가 발생할 수 있습니다. 따라서 UV 광학의 광 오염을 방지하기 위해서는 엄격한 프로토콜과 설계가 필요하다고 MKS Instruments의 Chui는 말했습니다.

UVC Photonics의 CEO인 Scott Buchter도 동의했지만 에너지와 광자 수 모두 중요한 고려 사항이라고 덧붙였습니다. 그의 회사의 레이저는 10mW의 연속 출력만 제공합니다. 마이크로머시닝 응용 분야를 위해 300nm 이상을 방출하는 것과 같은 다른 레이저는 수십 킬로와트에서 피크 전력을 방출할 수 있는 펄스 시스템입니다. 이것은 많은 2광자 손상 유발 흡수로 해석된다고 그는 말했다.

그러나 300nm 파장 아래에서 방출하는 시스템 제조에는 오염 제어도 필요합니다. Buchter는 “모든 것이 깨끗해야 합니다. "그리고 청소 방법에 주의해야 합니다."

1월에 UVC Photonics는 청색 다이오드 레이저로 펌핑되는 프라세오디뮴 첨가 이득 매질을 사용하는 261nm CW 레이저를 선보였습니다. UV 출력은 522nm 프라세오디뮴 방출의 2차 고조파 생성에서 발생합니다.

UVC Photonics는 시스템을 제조하는 동안 세척을 위해 냉동 CO2(드라이아이스) 제트를 사용합니다. 그런 다음 CO2는 아무것도 남기지 않고 증발합니다. 그런 다음 회사는 시스템을 밀봉하고 불활성 가스로 채웁니다. 시스템의 낮은 피크 전력과 고도로 제어되는 제조 공정은 오염이 제품 작동 및 수명에 미치는 영향을 최소화하는 데 도움이 됩니다.

UVC의 261nm 레이저의 잠재적인 응용 분야에는 폭발물 탐지를 위한 스탠드오프 라만 분광 시스템이 포함됩니다. 이러한 시스템의 현재 버전은 무거운 배낭을 채우지만 UVC 레이저를 활용하면 배터리로 작동되는 소형 장치의 설치 공간에 맞도록 시스템을 충분히 작게 만들 수 있다고 Buchter는 말했습니다.

다른 가능한 용도는 UV 레이저가 일반적으로 일반적으로 사용되는 IR 레이저에 비해 훨씬 더 높은 감도를 제공하는 추가 라만 분광학 응용 분야에 있다고 Buchter는 말했습니다. 그는 CW UV 레이저가 광원이 종종 지속적으로 낮은 전력을 공급해야 하는 현미경 검사에서도 이점이 있음을 증명할 수 있다고 말했습니다.

UV 레이저에 대한 현재 및 잠재적 응용 프로그램 목록이 증가함에 따라 레이저에 대한 수요는 비용, 크기 및 기타 매개변수 측면에서 지속적인 발전을 촉진할 것입니다.

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RFH에서 개발 및 생산하는 Expert III 355 시리즈 UV DPSS 레이저는 짧은 펄스 폭(<20ns@40K), 우수한 빔 품질(M²<1.2) 및 완벽한 레이저 스폿 품질(빔 원형도 >90 %). PE/PCB/FPC 절단, 유리 및 사파이어 절단, 드릴링, 고정밀 마이크로머시닝 영역에서 사용되는 스크라이빙 및 절단에 널리 사용됩니다.

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