一、准分子雷射的基本概念.doc

一、準分子雷射的基本概念: 準分子雷射名稱中的準分子 ”eximer”為excited的前半部與dimer的後半部組合而成的。準分子雷射的工作物質是準分子氣體。 一般的氣體分子，他們在一般的狀況下，如果沒有外來影響，如加熱、光照或電子碰撞，不會自行分解成其他分子或離子，準分子則不然。準分子就是一種處於激發態的複合粒子，在標準狀態下，即在基態時，它處於分離狀態，而在激發態處於分子狀態。也就是說，這種分子只存在於激發態，不存在於基態。基態時，分子在很短時間內(幾十毫微秒)自動分解成離子或其他分子。 準分子例如ArF，KrCl，KrF，XeBr，XeCl，XeF等，是由一個惰性氣體原子如He，Ne，Ar，Kr與化學活性較活潑的鹵素原子如F，Cl，Br組成的。惰性氣體原子原本是不會和別種原子形成分子的，但是如果把它們和鹵素元素混合，再以放電來激發他們，就可能成為激發態的分子，當激發態放出光子而躍遷回基態時，及立刻分解，還原成本來的特性後，而激發出高功率的紫外光。 如圖(一)所示，KrF是在激發態的分子，它的位能曲線有一極小值，表示中間有一平衡點，所以是分子。在X2(低能階，乃是受溫度激發而成，分子結合甚弱，其量甚少，因此只要激發到激發態，就很容易達到population inversion，而增益相對提高。準分子雷射和N2分子雷射相似，亦為電子態之間躍遷發射雷射，雷射波長多在紫外區和真空紫外區，因此這類器件又稱紫外雷射。由圖中也可看出準分子的輸出波長落在紫外光，同時略可調整。 圖一 準分子能階圖 由於準分子的生命期長短只有10ns，瞬間便掉到基態並放出一定波長的紫外光，因此，光腔中的反射鏡片和其他光學系統，如聚焦系統的材料，必須考慮為紫外光材料，但又因此類雷射增益甚高，故可考慮使用非穩定空腔。 準分子雷射具有以下特性：(１)由於excimer存在時間甚短，在共振腔內的往復次數少，缺乏resonat oscillation，因此光束的指向性差(擴散角大)，光束的模態不良。(2)不同的氣體組成可放出191nm-354nm不同波長的紫外光電磁波。(3)單一脈衝的功率極高，約為109-1010W/cm，但因脈衝時間短，所以單一脈衝的能量約可達數個焦耳以上。(4)準分子一旦躍遷到激發態就形成穩定的束縛分子態。(5)準分子躍遷至基態釋放出能量就立即離解，即表示它的基態永遠找不到準分子。(6)準分子下能級為連續排斥態，因此不存在旋轉-振動能級。對應於每一上能級的分立能態就有一個連續的發射譜，所以有可能實現準分子雷射的寬頻帶的連續調諧。 圖(二)代表準分子雷射的輸出特性。 ArF 氟化氯 KrCl 氯化氪 KrF 氟化氪 XeBr 溴化氙 XeCl 氯化氙 XeF 氟化氙 波長(nm) 193 222 248 282 308 351 輸出能量(J/pulse) 0.2 0.05 0.25 0.01 0.08 0.08 重複率(Hz) 100 100 150 100 150 100 脈波寬度(ns) 10-20 5-15 10-20 7-20 4-20 10-20 光束大小 1×2.5cm 擴散角 2×5mrad 圖二 二、準分子雷射的結構介紹: 一般商用的excimer雷射結構示意圖，如圖所示。它採用橫向放電流動式。下面為儲氣管，上面為放電腔。 圖三 準分子雷射結構示意圖 放電腔上邊為陰極，陰極上有兩排針狀預電離電極，下邊為陽極。電極一般用鋁合金成形後，再鍍鎳。放電腔其他部分用抗化學腐蝕，高絕緣性、機械性能好的壓克力或Teflon製成。陽極兩邊開有兩排小孔與儲氣管相通。整個儲氣管及放電腔的接縫全部採用’’O’’KV~30KV，控制主放電的開關元件一般用火花隙或閘流管(Thyratron)。其放電最佳 E/P值工作。 Excimer雷射一般來講，不用共振腔也能獲得雷射輸出，因為它的增益非常之大，但是為了提高光束品質，往往也使用共振腔，它的前反射鏡使用平面鋁反射鏡，而輸出鏡使用CaF2標準具式的平板(不鍍任何反射膜)反射鏡。 三、準分子雷射於醫療方面的應用: 眼科 眼科使用的準分子雷射，為激發氬氣(Argon)及氯氣(Fluoride)之混合氣體後，產生的雷射光，波長193nm，屬於超紫外線光譜，由於波長極短，光子能量極高，達6.4ev，因此可以切斷分子鍵，達到準確切割組織的效果，此作用稱為光切作用。其切割的準確度可達二百萬分之一公尺以下，同時由於每個脈衝波的時間極短，所釋放的熱能極少，因此對周邊組織的傷害以及導致的疤痕非常的輕微。因此，準分