Excimerlaser

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Excimerlaser sind Gaslaser, die elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Wellenlängenbereich erzeugen können. Anwendungsbeispiele sind die operative Korrektur der Kurzsichtigkeit, die Fotolithografie zur Herstellung hochintegrierter Halbleiter-Bauelemente oder die Mikro-Materialbearbeitung (z. B. das „Bohren“ extrem feiner Düsen für Tintenstrahldrucker).

Das Wort Excimer wird aus der Zusammenziehung des englischen excited (dt. angeregt) und des Begriffs Dimer gebildet und bezeichnet das laseraktive Medium. Ein Dimer besteht grundsätzlich aus zwei gleichen Atomen oder Molekülen. Allerdings werden heute vorrangig Edelgas-Halogenide als laseraktives Medium eingesetzt. Somit lautet die korrekte Bezeichnung eigentlich Exciplexlaser (aus excited und complex), aber dieser Name wird in der Praxis selten verwendet.

Der erste Excimerlaser wurde 1970 von Nikolai Bassow, W. A. Danilitschew und Ju. M. Popow am P. N. Lebedew-Physikinstitut in Moskau konstruiert.[1][2] Sie benutzten das Xenon-Dimer Xe2 und einen Elektronenstrahl zur Anregung. Der erste kommerzielle Excimerlaser wurde 1977 von Lambda Physik gebaut.

Funktionsweise[Bearbeiten]

Schematische Darstellung des Elektronenübergangs bei einem KrF-Laser vom angeregtem in den stabilen Zustand

Die als Excimere genutzten Edelgas-Halogenide können nur als angeregte Moleküle existieren und sind im Grundzustand nicht stabil. Sie können gebildet werden, indem die chemische Reaktion zwischen dem Edelgas und dem Halogen durch eine elektrische Entladung oder einen starken Elektronenstrahl in die gewünschte Richtung des angeregten Edelgashalogenides gelenkt wird. Da die angeregten Moleküle metastabil sind, wird das Edelgashalogenid zunächst angereichert und es entsteht eine Besetzungsinversion, das heißt es befinden sich mehr Moleküle im angeregten Zustand als im Grundzustand (siehe Abbildung). Die angeregten Moleküle können die gespeicherte Energie in Form von ultravioletter Strahlung abgeben, wobei sie in den instabilen Grundzustand übergehen und sofort in ihre Bestandteile zerfallen. Dieser Übergang kann durch einfallendes ultraviolettes Licht gleicher Wellenlänge bei allen angeregten Molekülen gleichzeitig ausgelöst werden, wodurch ein Laserstrahl entsteht.

Excimerlaser können nur gepulst betrieben werden. Die Pulsdauer liegt typischerweise zwischen 4 und 40 ns. Wiederholraten heutiger Excimerlaser liegen im Bereich von maximal einigen Kilohertz. Im industriellen Bereich werden Excimerlaser eingesetzt, die Pulsenergien von bis zu 1200 Millijoule erreichen.

Die Wellenlänge eines Excimerlasers ist durch das bei der Anregung entstehende Molekül festgelegt. Die entsprechenden Ausgangsstoffe (Gase) werden z. B. in Gasflaschen bereitgestellt. Das Gasgemisch, das typischerweise aus wenigen Prozent der aktiven Gaskomponenten und einem Puffergas (Helium oder Neon) besteht[3], in der Laser-Kavität, aus dem die laseraktiven Excimere bzw. Exciplexe erzeugt werden, muss regelmäßig ersetzt werden, da sich sowohl durch längere Standzeiten als auch durch den laufenden Betrieb die Eigenschaften des Gasgemisches derart verändern, dass die Pulsenergie unter einen akzeptablen Wert abfällt.

Anwendungen[Bearbeiten]

Emissionswellenlängen typischer Excimerlaser
Molekül Wellenlänge
Ar2 126 nm
Kr2 146 nm
F2 157 nm
Xe2 172 nm
ArF 193,3 nm
KrCl 222 nm
KrF 248,35 nm
XeBr 282 nm
XeCl 308 nm
XeF 351 nm

KrF- und ArF-Excimerlaser werden seit Mitte der 1990er Jahre in der Fotolithografie zur Belichtung von photosensitiven Fotolacken eingesetzt. Die geringe Wellenlänge ermöglicht die Herstellung von Strukturen von 28 nm Breite (Stand 2011) und bilden damit die Grundlage für die Fertigung aller modernen mikroelektronischen Bauelemente. Excimerlaser werden aber auch für die direkte Bearbeitung von praktisch allen Materialien (Keramiken, Metalle, Kunststoffe u.a.) zur Herstellung von Strukturen mit lateralen Abmessungen im Sub-Mikrometerbereich eingesetzt. Beispiele dafür sind die Herstellung von Faser-Bragg-Gittern (FBG)[4] oder die Mikrobearbeitung von Oberflächen.

Auch in der Medizin finden Excimerlaser zahlreiche Anwendungen. Sie werden beispielsweise zum Schneiden menschlichen Gewebes eingesetzt. Dafür wird in der Regel pulsierende Laserstrahlung (Frequenzen zwischen 100 und 200 Hz) eingesetzt, die dazu führt, dass umgebendes Gewebe nicht erwärmt wird und einen Wundheilungsprozess ohne größere Schmerzen ermöglicht. Mit jedem Puls werden bis zu 2 µm Gewebe abgetragen. Das und der sehr kleine Fokusdurchmesser machen Excimerlaser attraktiv für Anwendungen in der Augenheilkunde, beispielsweise LASIK, und verdrängen zunehmend „Heißschnittmethoden“ unter Einsatz von Argon-, Nd:YAG- und CO2-Laser, die höhere Eindringtiefen in menschliches Gewebe aufweisen.[4] In der Dermatologie werden XeCl-Excimerlaser zur Behandlung von UVB-sensiblen Dermatosen wie Psoriasis vulgaris (Schuppenflechte) oder Atopisches Ekzem (Neurodermitis), u.v.m. eingesetzt.

Literatur[Bearbeiten]

  •  D. Basting, K. Pippert, U. Stamm: History and future prospects of excimer laser technology. In: 2nd International Symposium on Laser Precision Microfabrication. 2001, S. 14–22 (PDF, abgerufen am 26. Juli 2010).
  •  P. R. Herman, K. R. Beckley, B. C. Jackson, D. Moore, J. Yang, K. Kurosawa, T. Yamanishi: Processing applications with the 157-nm fluorine excimer laser. In: Proc. SPIE 2992, Excimer Lasers, Optics and Applications. 84, 1997, S. 86–95.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  N. G. Basov, V. A. Danilychev, Y. Popov, D. D. Khodkevich: Laser for vacuum region of the spectrum with excitation of liquid xenon by an electron beam. In: Zh. Eksp. Fiz. i Tekh. Pis’ma. Red. Nr. 12, 1970, S. 473–474.
  2.  N. G. Basov, V. A. Danilychev, Y. Popov, D. D. Khodkevich: Laser Operating in the Vacuum Region of the Spectrum by Excitation of Liquid Xenon with an Electron Beam. In: Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. Nr. 12, 1970, S. 329.
  3.  Jürgen Eichler, Hans-Joachim Eichler: Laser: Bauformen, Strahlführung, Anwendungen. Springer, 2010, ISBN 978-3642104619, S. 128.
  4. a b  H. Frowein, P. Wallenta: Kompakte Excimerlaser fur den Industriellen Einsatz. In: Photonik. 34, 2002, S. 46–49 (PDF).