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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 ist eine Zusammenziehung von excited (angeregt) und dimer 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 müsste die korrekte Bezeichnung eigentlich Exciplexlaser lauten.
Der erste Excimerlaser wurde 1970 von Nikolai Bassow, V. A. Danilychew und Yu. 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.
Inhaltsverzeichnis |
Die als Excimere genutzten Edelgas-Halogenide können nur als angeregte Moleküle existieren und sind im Grundzustand nicht stabil. Durch eine chemische Reaktion können stabile Moleküle gebildet werden und es entsteht eine Besetzungsinversion (siehe Abbildung). Nachdem ein Molekül seine Energie abgibt, zerfällt es sofort, da dieser Zustand instabil ist. Die benötigte Reaktion wird durch Entladungen in Gang gesetzt.
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.
| Molekül | Wellenlänge |
|---|---|
| H2 | 123 bzw. 116 nm |
| Ar2 | 126 nm |
| F2 | 157,63 nm |
| Xe2 | 172 nm |
| ArF | 193,3 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 die 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.
