Excimerlaser

Excimerlaser sind Gaslaser, sie erzeugen elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Wellenlängenbereich. Anwendungsbeispiele sind z. B. die operative Korrektur der Kurzsichtigkeit und die Fotolithografie, zur Herstellung hochintegrierter Halbleiter-Bauelemente und zur Mikro-Materialbearbeitung (z. B. zum „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.

Funktionsweise

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. 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.

Anwendungen

Emissionswellenlängen typischer Excimerlaser

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 hierfür 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 von menschlichen Gewebes eingesetzt. Hierzu 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. Dabei werden mit jedem Puls bis zu 2 µm Gewebe abgetragen. Dies und die sehr kleine Fokusdurchmesser machen Excimerlaser attraktiv für die 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

• 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).

Einzelnachweise

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).