láser excimer

La longitud de onda de un láser de excímeros depende de las moléculas utilizadas y suele estar en el rango ultravioleta de la radiación electromagnética :

Los láseres de excímeros, como el XeF y el KrF, también pueden hacerse ligeramente sintonizables mediante una variedad de configuraciones intracavitarias de prismas y rejillas. ^{[ 18 ]}

Aunque los láseres de excímeros bombeados por haz de electrones pueden producir pulsos únicos de alta energía, generalmente están separados por largos periodos de tiempo (muchos minutos). Una excepción fue el sistema Electra, diseñado para estudios de fusión inercial, que podía producir una ráfaga de 10 pulsos cada uno de 500 J en un lapso de 10 s. ^{[ 19 ]} En contraste, los láseres de excímeros bombeados por descarga, también demostrados por primera vez en el Laboratorio de Investigación Naval, son capaces de emitir un flujo continuo de pulsos. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Sus tasas de repetición de pulso significativamente más altas (del orden de 100  Hz) y su menor tamaño hicieron posible la mayoría de las aplicaciones enumeradas en la siguiente sección. Una serie de láseres industriales fueron desarrollados en XMR, Inc. ^{[ 22 ]}En Santa Clara, California, entre 1980 y 1988. La mayoría de los láseres producidos eran de XeCl, y la energía sostenida de 1 J por pulso a frecuencias de repetición de 300 pulsos por segundo era la especificación estándar. Este láser utilizaba un tiratrón de alta potencia y conmutación magnética con preionización por corona, y estaba clasificado para 100 millones de pulsos sin mantenimiento importante. El gas de operación era una mezcla de xenón, HCl y neón a aproximadamente 5 atmósferas. Se incorporó un uso extensivo de acero inoxidable, recubrimiento de níquel y electrodos de níquel sólido para reducir la corrosión debida al gas HCl. Un problema importante encontrado fue la degradación de las ventanas ópticas debido a la acumulación de carbono en la superficie de la ventana de CaF. Esto se debía a los hidroclorocarbonos formados a partir de pequeñas cantidades de carbono en las juntas tóricas que reaccionaban con el gas HCl. Los hidroclorocarbonos aumentaban lentamente con el tiempo y absorbían la luz láser, causando una reducción gradual de la energía láser. Además, estos compuestos se descompondrían en el intenso haz láser y se acumularían en la ventana, causando una mayor reducción de energía. El reemplazo periódico del gas láser y las ventanas era necesario a un costo considerable. Esto mejoró significativamente con el uso de un sistema de purificación de gas que consistía en una trampa fría que operaba ligeramente por encima de la temperatura del nitrógeno líquido y una bomba de fuelle metálico para recircular el gas láser a través de la trampa fría. La trampa fría consistía en un depósito de nitrógeno líquido y un calentador para elevar ligeramente la temperatura, ya que a 77 K (punto de ebullición del nitrógeno líquido) la presión de vapor del xenón era menor que la presión de operación requerida en la mezcla de gas láser. El HCl se congelaba en la trampa fría y se agregaba HCl adicional para mantener la proporción de gas adecuada. Un efecto secundario interesante de esto fue un aumento lento en la energía láser con el tiempo, atribuido al aumento en la presión parcial de hidrógeno en la mezcla de gas causado por la reacción lenta del cloro con varios metales. A medida que el cloro reaccionaba, se liberaba hidrógeno, aumentando la presión parcial. El resultado neto fue el mismo que agregar hidrógeno a la mezcla para aumentar la eficiencia del láser, como informaron TJ McKee et al. ^{[ 23 ]}

Desde la década de 1960, la aplicación industrial más extendida de los láseres de excímeros ha sido en la fotolitografía ultravioleta profunda , ^{[ 24 ] [ 25 ]} una tecnología crítica utilizada en la fabricación de dispositivos microelectrónicos . Históricamente, desde principios de la década de 1960 hasta mediados de la década de 1980, se utilizaron lámparas de mercurio-xenón en litografía por sus líneas espectrales en  longitudes de onda de 436, 405 y 365 nm. Sin embargo, con la necesidad de la industria de semiconductores de una mayor resolución (para producir chips más densos y rápidos) y un mayor rendimiento (para reducir costos), las herramientas de litografía basadas en lámparas ya no podían satisfacer los requisitos de la industria. Este desafío se superó cuando, en un desarrollo pionero en 1982, Kanti Jain propuso y demostró en IBM la litografía láser de excímeros ultravioleta profunda . ^{[ 24 ] [ 26 ] [ 25 ] [ 27 ]} Desde una perspectiva científica y tecnológica aún más amplia, desde la invención del láser en 1960, el desarrollo de la litografía láser de excímeros se ha destacado como uno de los principales hitos en la historia del láser. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

Las herramientas de litografía actuales (a partir de 2021) utilizan principalmente luz ultravioleta profunda (DUV) de los láseres de excímeros KrF y ArF con longitudes de onda de 248 y 193 nanómetros (denominada "litografía láser de excímeros" ^{[ 24 ] [ 26 ] [ 25 ] [ 31 ]} ), lo que ha permitido reducir el tamaño de las características de los transistores a 7 nanómetros (véase más abajo). La litografía láser de excímeros ha desempeñado, por lo tanto, un papel fundamental en el continuo avance de la denominada Ley de Moore durante los últimos 25 años. ^{[ 32 ]} Hacia 2020, la litografía ultravioleta extrema (EUV) comenzó a reemplazar la litografía láser de excímeros para mejorar aún más la resolución del proceso de litografía de circuitos semiconductores. ^{[ 33 ]}

El Laboratorio de Investigación Naval construyó dos sistemas, el láser de fluoruro de kriptón (248  nm) y el láser de fluoruro de argón (193  nm), para probar métodos de fusión por confinamiento inercial . Estos fueron los sistemas láser Electra y Nike . Debido a que el láser de excímeros es un sistema basado en gas, no se calienta como los sistemas de estado sólido, como la Instalación Nacional de Ignición y el Láser Omega . Electra demostró 90 000 disparos en 10 horas; ideal para una central eléctrica de fusión inercial . ^{[ 34 ]}

La luz ultravioleta de un láser excimer es bien absorbida por la materia biológica y los compuestos orgánicos . En lugar de quemar o cortar el material, el láser excimer añade la energía suficiente para romper los enlaces moleculares del tejido superficial, que se desintegra en el aire de forma controlada mediante ablación , en lugar de quemarse. Por lo tanto, los láseres excimer poseen la útil propiedad de poder eliminar capas excepcionalmente finas de material superficial prácticamente sin calentar ni alterar el resto del material, que permanece intacto. Estas propiedades hacen que los láseres excimer sean idóneos para el micromecanizado de precisión de material orgánico (incluidos ciertos polímeros y plásticos) o para cirugías delicadas como la cirugía ocular LASIK . Entre 1980 y 1983, Rangaswamy Srinivasan , Samuel Blum y James J. Wynne, del Centro de Investigación TJ Watson de IBM , observaron el efecto del láser excimer ultravioleta en materiales biológicos. Intrigados, investigaron más a fondo y descubrieron que el láser realizaba cortes limpios y precisos, ideales para cirugías delicadas. Esto dio como resultado una patente fundamental ^{[ 35 ]} y Srinivasan, Blum y Wynne fueron elegidos para el Salón Nacional de la Fama de los Inventores en 2002. En 2012, los miembros del equipo fueron honrados con la Medalla Nacional de Tecnología e Innovación por el presidente de los Estados Unidos, Barack Obama, por su trabajo relacionado con el láser excimer. ^{[ 36 ]} Trabajos posteriores introdujeron el láser excimer para su uso en angioplastia . ^{[ 37 ]} Los láseres excimer de cloruro de xenón (308 nm) también se utilizan para tratar una variedad de afecciones dermatológicas, incluyendo psoriasis , vitiligo , dermatitis atópica , alopecia areata y leucodermia. ^{[ 38 ]} 

Como fuentes de luz, los láseres de excímeros suelen ser de gran tamaño, lo que supone una desventaja en sus aplicaciones médicas, aunque su tamaño está disminuyendo rápidamente gracias al desarrollo continuo.

Se están realizando investigaciones para comparar las diferencias en los resultados de seguridad y eficacia entre la cirugía refractiva convencional con láser excimer y la cirugía refractiva guiada por frente de onda u optimizada por frente de onda, ya que los métodos de frente de onda pueden corregir mejor las aberraciones de orden superior . ^{[ 39 ]}

Los láseres de excímeros también se utilizan ampliamente en numerosos campos de investigación científica, tanto como fuentes primarias como, en particular el láser de XeCl, como fuentes de bombeo para láseres de colorante sintonizables , principalmente para excitar colorantes láser que emiten en la región azul-verde del espectro. ^{[ 40 ] [ 41 ]} Estos láseres también se utilizan comúnmente en sistemas de deposición láser pulsada , donde su gran fluencia , longitud de onda corta y propiedades de haz no continuo los hacen ideales para la ablación de una amplia gama de materiales. ^{[ 42 ]}