准分子激光

 准分子激光（引）（英文：Excimer laser）是指受到电子束激发的惰性气体和卤素气体结合的混合气体形成的分子向其基态跃迁时发射所产生的激光。 准分子激光属于冷激光，无热效应，是方向性强、波长纯度高、输出功率大的脉冲激光，光子能量波长范围为157－353纳米，寿命为几十毫微秒，属于紫外光。最常见的波长有157 nm、193 nm、248 nm、308 nm、351-353 nm。

激光简介

所谓准分子激光，是指受激二聚体所产生的激光。之所以产生称为准分子，是因为它不是稳定的分子，是在激光混合气体受到外来能量的激发所引起的一系列物理及化学反应中曾经形成但转瞬即逝的分子，其寿命仅为几十毫微秒。　准子分激光是一种气体脉冲激光，所产生的是波长为193nm的准分子激光，它是一种超紫外线光波，此波长的激光吸收范围窄，激光的能量几乎完全被角膜上皮细胞和基质吸收，超过这个范围的组织不会吸收到激光，每一个激光脉冲可以切削0.2到0.25um厚度的生物组织，所以周围的组织不会损伤。
准分子激光与生物组织作用时发生的不是热效应，而是光化反应，所谓光化反应，是指组织受到远紫外光激光作用时，会断裂分子之间的结合键，将组织直接分离成挥发性的碎片而消散无踪，对周围组织则没有影响，达到对角膜的重塑目的，能精确消融人眼角膜预计去除的部分空间精确度达细胞水平，不损伤周围组织。它的波长短，不会穿透人的眼角膜，因此对于眼球内部的组织没有任何不良的作用。
准分子激光在医学上主要用于屈光不正的治疗，如用PRK、LASIK、LASEK等方法进行屈光不正的治疗，是目前临床上应用比较普遍、安全、快捷、有效、稳定的屈光不正治疗方法。

历史

准分子激光由Nikolai Basov, V. A. Danilychev 和 Yu. M. Popov等人于1970在莫斯科物理研究所发明。使用电子束激发氙气二聚体，产生的准分子激光波长为172nm。
1975年包括美国政府的海军研究实验室、诺思罗普研究和技术中心，Avco Everett研究实验室，和美国桑迪亚国家实验室[5]在内的多家政府研究机构研究利用电子束激发惰性气体卤化物。
1979年西德Lambda Physik公司生产出第一台商业用准分子激光器。
迄今为止已经发现的能够产生准分子激光的气体有10多种。

应用

准分子激光首先被应用在工业上:
美国IBM公司开始使用并且改进准分子激光技术，主要应用在计算机芯片的制造以及塑料物质上蚀刻精确的图形。
1980年IBM公司应用193nm准分子激光刨光钻石。
1982年IBM将准分子激光技术应用在半导体光刻工艺中.
1986年AT&T贝尔实验室研制出第一台准分子激光分步投影光刻机.
目前准分子激光已广泛应用在临床医学以及科学研究与工业应用方面，如：钻孔、标记表面处理、激光化学气相沉积，物理气相沉积，磁头与光学镜片和硅晶圆的清洁等方面,微机电系统相关的微制造技术．
准分子激光于90年代始在医学上得到运用，主要有：
眼科：使用193nm准分子激光进行LASIK手术，矫治屈光不正（近视、远视、散光）。
1983年，哥伦比亚大学的MD.Stephen Trokel以及IBM的Srinicasan首先提出用激光治疗近视的构思，并在动物角膜上开始实验。
1987年，Trokel等人将IBM公司发明用以切割芯片的准分子激光用于人眼角膜上，应用准确计量的准分子激光直接汽化角膜的部分组织，以达到改变眼角膜曲度的目的。
九十年代初，美国FDA开始准分子激光角膜表面切削术(Photorefractive keratectomy,PRK)的临床实验，开始了激光治疗近视。
1990年，Dr Pallikaris、Buratto，Galvis和 Dr Ruiz结合ALK的技术与先进激光仪结合而发明了准分子激光角膜原位磨镶术(Laser-Assisted in Situ Keratomileusis,LASIK)。经过几年的临床实验效果跟踪，1995年10月FDA最终正式批准PRK手术可以治疗600度以内的近视，400度以内的散光。
1995至1999年，FDA又相继批准了1200度以内的近视、600度以内散光和600度以内远视的LASIK治疗。
1993年中国卫生部首次批准引进的两台准分子激光治疗仪在北京同仁医院以及协和医院应用PRK技术,1995年开始应用LASIK技术。
1996年台湾通过人体实验而正式核准使用PRK技术.
1997年意大利Rovigo医院眼科中心Massino lamellion MD发明准分子激光角膜上皮磨镶术(laser epithelial keratomileusis,LASEK)
1999年,波前引导激光手术技术（Customized LASIK）被开发；
2001年,美国开始在临床应用此项技术。
2002年10月，FDA核准了此项技术，第二年5月开始正式普及。
皮肤：使用308nm准分子激光治疗白癜风、银屑病和过敏性皮炎。
心血管:准分子激光在心血管疾病中主要用于治疗冠心病、周围血管疾病、心脏瓣膜病、先天性心脏病和肥厚性心肌病等。
直接心肌血运重建术(direct myocardial revascularization，DMR)，也称为经心肌血运重建术(transmyocardial revascularization，TMR)或激光心肌血运重建术(transmyocardial laser revascularization，TMLR)，是近年来应用于心脏外科临床的新技术。
经皮直接心肌血运重建术(percutaneous direct myocardial revascularization，PDMR)是在TMR技术基础上发展起来的用于心脏内科临床的一种新型冠心病介入治疗技术，是冠心病治疗史上的一项新进展。这些都为过去常规内外科治疗不能有效的治疗的冠心病病人提供了一种新的方法。

安全性

准分子激光治疗近视眼最早是1985年美国医生开始在临床应用的，近年来发展迅速，九十年代初传入中国。准分子激光治疗高、中、低度近视的手术效果远远优于以往的屈光手术，因此，广为全世界的眼科医师所瞩目。但仍有很多人对它产生怀疑，怕眼睛被打穿、烧焦。
一般来说，准分子激光是波长很短的紫外光，它与生物组织发生的是光化学效应而不是热效应，因此，不会产生热损伤，更谈不上烧焦。
另外，还有人顾虑会打穿眼球，这种顾虑是多余的，准分子激光波长短，穿透力弱，每个脉冲只能切削0.25um的深度，是在细胞下水平切削，切削极精确，因此打穿眼球是不可能的。
有人担心会伤害眼睛的其他部位，这也是多虑，因为准分子激光器都有红外线跟踪系统，当你的眼球偏转超出正常范围，激光会自动停止击射，保证安全治疗。
激光治疗近视的原理是，近视眼是由于眼球的前后径太长或者眼球前表面太凸，外界光线不能准确会聚在眼底所致。准分子激光角膜屈光治疗技术（PRK和LASIK技术），是用电脑精确控制的准分子激光的光束使眼球前表面稍稍变平，从而使外界光线能够准确地在眼底会聚成像，达到矫正近视的目的。
准分子激光是氟氩气体混合后经激发产生的一种人眼看不见的紫外线光束，属冷激光，能精确消融人眼角膜预计去除的部分而不损伤周围组织和其他组织器官。
手术中准分子激光的作用
屈光性角膜手术中通过激光的高能爆破效应(气化)来切削角膜层，只有万分之三毫米的厚度，目前，准分子激光由于角膜中心区域(直径大约60~80mm)大小的局限也受到了限制，而治疗过程中激光只切削了角膜厚度的5~10%(角膜切削厚度和图形是由术前检查和计算决定的)，而这些数据通过眼科医生输入计算机系统中计算出切削的图形

Major applications
Photolithography

Excimer lasers are widely used in high-resolution photolithography machines, one of the critical technologies required for microelectronic chip manufacturing. Current state-of-the-art lithography tools use deep ultraviolet (DUV) light from the KrF and ArF excimer lasers with wavelengths of 248 and 193 nanometers (the dominant lithography technology today is thus also called "excimer laser lithography"[18][19][20][21]), which has enabled transistor feature sizes to shrink to 7 nanometers (see below). Excimer laser lithography has thus played a critical role in the continued advance of the so-called Moore's law for the last 25 years.[22]

The most widespread industrial application of excimer lasers has been in deep-ultraviolet photolithography,[18][20] a critical technology used in the manufacturing of microelectronic devices (i.e., semiconductor integrated circuits or "chips"). Historically, from the early 1960s through the mid-1980s, mercury-xenon lamps had been used in lithography for their spectral lines at 436, 405 and 365 nm wavelengths. However, with the semiconductor industry's need for both higher resolution (to produce denser and faster chips) and higher throughput (for lower costs), the lamp-based lithography tools were no longer able to meet the industry's requirements. This challenge was overcome when in a pioneering development in 1982, deep-UV excimer laser lithography was proposed and demonstrated at IBM by Kanti Jain.[18][19][20][23] With phenomenal advances made in equipment technology in the last two decades, and today microelectronic devices fabricated using excimer laser lithography totaling $400 billion in annual production, it is the semiconductor industry view[22] that excimer laser lithography has been a crucial factor in the continued advance of Moore's law, enabling minimum features sizes in chip manufacturing to shrink from 800 nanometers in 1990 to 7 nanometers in 2018.[24][25] From an even broader scientific and technological perspective, since the invention of the laser in 1960, the development of excimer laser lithography has been highlighted as one of the major milestones in the 50-year history of the laser.[26][27][28]
Medical uses

The ultraviolet light from an excimer laser is well absorbed by biological matter and organic compounds. Rather than burning or cutting material, the excimer laser adds enough energy to disrupt the molecular bonds of the surface tissue, which effectively disintegrates into the air in a tightly controlled manner through ablation rather than burning. Thus excimer lasers have the useful property that they can remove exceptionally fine layers of surface material with almost no heating or change to the remainder of the material which is left intact. These properties make excimer lasers well suited to precision micromachining organic material (including certain polymers and plastics), or delicate surgeries such as eye surgery LASIK. In 1980–1983, Rangaswamy Srinivasan, Samuel Blum and James J. Wynne at IBM's T. J. Watson Research Center observed the effect of the ultraviolet excimer laser on biological materials. Intrigued, they investigated further, finding that the laser made clean, precise cuts that would be ideal for delicate surgeries. This resulted in a fundamental patent[29] and Srinivasan, Blum and Wynne were elected to the National Inventors Hall of Fame in 2002. In 2012, the team members were honored with National Medal of Technology and Innovation by the President of The United States Barack Obama for their work related to the excimer laser.[30] Subsequent work introduced the excimer laser for use in angioplasty.[31] Xenon chloride (308 nm) excimer lasers can also treat a variety of dermatological conditions including psoriasis, vitiligo, atopic dermatitis, alopecia areata and leukoderma.

As light sources, excimer lasers are generally large in size, which is a disadvantage in their medical applications, although their sizes are rapidly decreasing with ongoing development.

Research is being conducted to compare differences in safety and effectiveness outcomes between conventional excimer laser refractive surgery and wavefront-guided or wavefront-optimized refractive surgery, as wavefront methods may better correct for higher-order aberrations.[32]
Scientific research

Excimer lasers are also widely used in numerous fields of scientific research, both as primary sources and, particularly the XeCl laser, as pump sources for tunable dye lasers, mainly to excite laser dyes emitting in the blue-green region of the spectrum.[33][34] These lasers are also commonly used in Pulsed laser deposition systems, where their large fluence, short wavelength and non-continuous beam properties make them ideal for the ablation of a wide range of materials.[35]

主要用途光刻技术准分子激光器广泛用于高分辨率光刻机中，这是微电子芯片制造所需的关键技术之一。当前最先进的光刻工具使用来自波长为248和193纳米的KrF和ArF准分子激光的深紫外（DUV）光（因此，当今的主流光刻技术也称为“准分子激光光刻” [18] [ 19] [20] [21]），这使晶体管特征尺寸可以缩小到7纳米（见下文）。因此，准分子激光光刻在过去25年中在所谓的摩尔定律的持续发展中发挥了关键作用。[22]准分子激光器的最广泛的工业应用是在深紫外光刻中，[18] [20]是一种用于制造微电子器件（即半导体集成电路或“芯片”）的关键技术。从历史上看，从1960年代初到1980年代中期，水银氙气灯在436、405和365 nm波长处被用于光刻技术。但是，由于半导体行业既需要更高的分辨率（以生产更密集，更快的芯片）又需要更高的吞吐量（以降低成本），基于灯的光刻工具不再能够满足行业要求。 1982年，Kanti Jain在IBM的先驱发展中提出并证明了深紫外准分子激光光刻技术，克服了这一挑战。[18] [19] [20] [23]随着近二十年来设备技术的飞速发展，如今使用准分子激光光刻技术制造的微电子器件的年总产值达4000亿美元，半导体行业认为[22]，准分子激光光刻技术一直是持续发展的关键因素。摩尔定律的发展，使芯片制造中的最小特征尺寸从1990年的800纳米缩减到2018年的7纳米。[24] [25]从更广阔的科学技术角度来看，自1960年激光器问世以来，准分子激光光刻技术的发展已成为激光器50年历史上的主要里程碑之一。[26] [27] [ 28]医疗用途受激准分子激光器发出的紫外线被生物物质和有机化合物很好地吸收。准分子激光不是燃烧或切割材料，而是增加了足够的能量来破坏表面组织的分子键，从而通过烧蚀而不是燃烧，以严格控制的方式有效地分解为空气。因此，准分子激光器具有有用的性质，即它们可以去除表面材料的异常细小的层，而几乎不加热或保持完整的其余材料。这些特性使准分子激光器非常适合用于精密微加工有机材料（包括某些聚合物和塑料）或精细手术（例如眼科手术LASIK）。在1980–1983年，IBM T. J. Watson研究中心的Rangaswamy Srinivasan，Samuel Blum和James J. Wynne观察了紫外线准分子激光对生物材料的影响。他们对此深感兴趣，对它们进行了进一步的研究，发现激光可以进行干净，精确的切割，非常适合精致的手术。这就产生了一个基本的专利[29]和斯里尼瓦桑，百隆和怀恩分别被选入全国发明家名人堂于2002年。2012年，队员们用技术和创新的国家科学奖章由美国奥巴马总统兑现奥巴马的工作与准分子激光有关。[30]随后的工作介绍了用于血管成形术的准分子激光器。[31]氯化氙（308 nm）准分子激光器还可以治疗多种皮肤病，包括牛皮癣，白癜风，特应性皮炎，斑秃和白斑病。作为光源，准分子激光器通常尺寸较大，尽管其尺寸随着不断发展而迅速减小，但这在其医学应用中是不利的。正在进行研究以比较传统准分子激光屈光手术与波前引导或波前优化屈光手术在安全性和有效性方面的差异，因为波前方法可能会更好地校正高阶像差。[32]科学研究准分子激光器还广泛用于许多科学研究领域，既是主要光源，尤其是XeCl激光器，也是可调染料激光器的泵浦源，主要是激发蓝绿色光谱范围内发射的激光染料。[33] ] [34]这些激光还普遍用于脉冲激光沉积系统，该系统的大通量，短波长和非连续光束特性使其非常适合烧蚀各种材料。[35]