準分子雷射氣體

準分子雷射（英文：Excimer laser）是一種紫外氣態雷射，處於激發態的稀有氣體和另一種氣體（稀有氣體或鹵素）結合的混合氣體形成的分子，向其基態躍遷時發射所產生的雷射，稱為準分子雷射。

基本介紹

• 中文名：準分子雷射氣體
• 外文名：Excimer laser
• 別稱：準分子雷射

介紹

準分子雷射（英文：Excimer laser）是一種紫外氣態雷射，處於激發態的稀有氣體和另一種氣體（稀有氣體或鹵素）結合的混合氣體形成的分子，向其基態躍遷時發射所產生的雷射，稱為準分子雷射。

準分子雷射屬於低能量雷射，無熱效應，是方向性強、波長純度高、輸出功率大的脈衝雷射，光子能量波長範圍為157－353納米，壽命為幾十納秒，屬於紫外光。最常見的波長有157nm、193 nm、248 nm、308 nm、351-353 nm。

術語

準分子是一種半衰期非常短暫的分子狀態，由同種原子或者異種原子組合而成。其中一種原子的價電子層必須是全滿的（比如稀有氣體）。如果兩種原子都處於基態，它們是不能形成化學鍵的。但如果價電子全滿的那個原子處於激發態，它們之間就能夠暫時形成化學鍵。儘管這種化學鍵的壽命往往非常短，只在納秒的量級。準分子可以通過自發輻射或受激輻射，釋放出光子回到基態，基態的分子更加不穩定，經過幾個皮秒的時間，衰變成兩個未成鍵的原子。

歷史

準分子雷射由Nikolai Basov, V. A. Danilychev 和 Yu. M. Popov等人於1970在莫斯科物理研究所發明。使用電子束激發氙氣二聚體，產生的準分子雷射波長為172nm。

1975年包括美國政府的海軍研究實驗室、諾思羅普研究和技術中心，Avco Everett研究實驗室，和美國桑迪亞國家實驗室在內的多家政府研究機構研究利用電子束激發惰性氣體鹵化物。

1979年西德Lambda Physik公司生產出第一台商業用準分子雷射器。

迄今為止已經發現的能夠產生準分子雷射的氣體有10多種。

常見類型

準分子雷射的波長取決於所用的氣體，一般處於紫外光波段。

表1.常見的準分子及其波長

準分子	波長; 納米	相對功率; 毫瓦
Ar2*	126nm
Kr2*	146nm
F2*	157nm
Xe2*	172 & 175nm
ArF	193nm	60
KrF	248nm	100
XeBr	282nm
XeCl	308nm	50
XeF	351nm	45
KrCl	222nm	25

激發態

激發是在任意能級上能量的提升。在物理學中有對於這種能級有專門定義：往往與一個原子被激發至激發態有關。

在量子力學中，一個系統（例如一個原子，分子或原子核）的激發態是該系統中任意一個比基態具有更高能量的量子態（也就是說它具有比系統所能具有的最低能量要高的能量）。

一般來說，處於激發態的系統都是不穩定的，只能維持很短的時間：一個量子（例如一個光子或是一個聲子）在發生自發輻射或受激輻射後，只在能量被提升的瞬間存在，隨即返回具有較低能量的狀態（一個較低的激發態或基態）。這種能量上的衰減一般被稱為“衰變”（decay），它是“激發”的逆過程。

持續時間較長的激發態被叫做亞穩態（metastable）。同質異能素（nuclear isomers）與單線態氧（singlet oxygen）就是其中的兩個例子。

原子的激發態

一般以最簡單的氫原子為模型來討論這一概念。

氫原子的基態對應的是氫原子中唯一的一個電子處於可能達到的最低的原子軌道（也就是波函式呈球形的1s軌道，它具有最小的量子數）。當外界向該原子提供能量時（例如，吸收一個具有一定能量的光子），原子中的電子就可以提升到激發態（這時它的量子數比可能的最小的量子數至少多1）。如果入射光子能量足夠大，該電子會從對於該原子的束縛態中被“打”出來，失去了電子的原子即離子化了。

在被激發後，原子會以發射一個具有特定能量的光子的形式回到能量較低的激發態（或是基態）。處於不同激發態的原子發射的光子具有不同的電磁波譜，這顯示出它們各自獨特的譜線（亦稱“發射線”）。這些譜線中，以氫原子為例的氫原子光譜（亦稱“氫線”），含有萊曼系（Lyman series）、巴耳末系（Balmer series）、帕申系（Paschen series）、布拉開線系（Brackett series）、蒲芬德系（Pfund series）及漢弗萊斯系（Humphreys series）。

處於較高激發態的原子被稱為里德伯原子。一個由高度激發的原子組成的系統可以形成壽命較長的凝聚激發態，例如完全由激發態原子組成的凝聚相——里德伯物質（Rydberg matter）。氫氣同樣可以在加熱或通電的條件下進入激發態。

氣體擾動激發

如果一個或多個分子被提升至動能級（kinetic energy levels）使得造成的流速分布（velocity distribution）與平衡（equilibrium）狀態波爾茲曼分布（Boltzmann distribution）相分離，則一個氣體分子的集合可以被認為處於激發態中。這種現象，尤其是二維氣體（two-dimensional gas）的某些細節已經被研究——分析到達平衡狀態所需的時間。

套用

• 準分子雷射首先被套用在工業上:
• 美國IBM公司開始使用並且改進準分子雷射技術，主要套用在計算機晶片的製造以及塑膠物質上蝕刻精確的圖形。
• 1980年IBM公司套用193nm準分子雷射刨光鑽石。
• 1982年IBM將準分子雷射技術套用在半導體光刻工藝中。
• 1986年AT&T貝爾實驗室研製出第一台準分子雷射分步投影光刻機。

目前準分子雷射已廣泛套用在臨床醫學以及科學研究與工業套用方面，如：鑽孔、標記表面處理、雷射化學氣相沉積、物理氣相沉積、磁頭與光學鏡片、矽晶圓的清潔、微機電系統相關的微製造技術等等。

準分子雷射於90年代始在醫學上得到運用，主要有：

• 眼科：使用193nm準分子雷射進行LASIK手術，矯治屈光不正（近視、遠視、散光）。
• 1983年，哥倫比亞大學的MD.Stephen Trokel以及IBM的Srinicasan首先提出用雷射治療近視的構思，並在動物角膜上開始實驗。
• 1987年，Trokel等人將IBM公司發明用以切割晶片的準分子雷射用於人眼角膜上，套用準確計量的準分子雷射直接汽化角膜的部分組織，以達到改變眼角膜曲度的目的。
• 九十年代初，美國FDA開始準分子雷射角膜表面切削術（Photorefractive keratectomy，PRK）的臨床實驗，開始了雷射治療近視。
• 1990年，Dr Pallikaris、Buratto，Galvis和Dr Ruiz結合ALK的技術與先進雷射儀結合而發明了準分子雷射角膜原位磨鑲術（Laser-Assisted in Situ Keratomileusis，LASIK）。經過幾年的臨床實驗效果跟蹤，1995年10月FDA最終正式批准PRK手術可以治療600度以內的近視，400度以內的散光。
• 1995至1999年，FDA又相繼批准了1200度以內的近視、600度以內散光和600度以內遠視的LASIK治療。
• 1993年中華人民共和國衛生部首次批准引進的兩台準分子雷射治療儀在北京同仁醫院以及協和醫院套用PRK技術，1995年開始套用LASIK技術。
• 1996年中華民國通過人體實驗而正式核准使用PRK技術.
• 1997年義大利Rovigo醫院眼科中心Massino lamellion MD發明準分子雷射角膜上皮磨鑲術（laser epithelial keratomileusis，LASEK）
• 1999年，波前引導雷射手術技術（Customized LASIK）被開發；
• 2001年，美國開始在臨床套用此項技術。
• 2002年10月，美國食品藥品監督管理局核准了此項技術，第二年5月開始正式普及。

皮膚：使用308nm準分子雷射治療白癜風、銀屑病和過敏性皮炎。

心血管:準分子雷射在心血管疾病中主要用於治療冠心病、周圍血管疾病、心臟瓣膜病、先天性心臟病和肥厚性心肌病等。

• 直接心肌血運重建術(direct myocardial revascularization，DMR)，也稱為經心肌血運重建術（transmyocardial revascularization，TMR）或雷射心肌血運重建術（transmyocardial laser revascularization，TMLR），是近年來套用於心臟外科臨床的新技術。
• 經皮直接心肌血運重建術（percutaneous direct myocardial revascularization，PDMR）是在TMR技術基礎上發展起來的用於心臟內科臨床的一種新型冠心病介入治療技術，是冠心病治療史上的一項新進展。這些都為過去常規內外科治療不能有效的治療的冠心病病人提供了一種新的方法。