เลเซอร์เอ็กไซเมอร์บางครั้งเรียกให้ถูกต้องกว่าว่าเลเซอร์เอ็กซิเพล็กซ์^{[ 1 ]}เป็น^{เลเซอร์อัลตราไวโอเลต}ชนิดหนึ่ง ซึ่งมักใช้ในการผลิตอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์วงจรรวมหรือ "ชิป" ที่ใช้ เซมิคอนดักเตอร์ การผ่าตัดตาและไมโครแมชชีนนิ่ง

นับตั้งแต่ทศวรรษ 1990 เป็นต้นมา เลเซอร์เอ็กไซเมอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่อง โฟโตลิโทกราฟีความละเอียดสูงซึ่งเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่สำคัญที่จำเป็นสำหรับการผลิตชิป ไมโครอิเล็กทรอนิกส์

คำว่าexcimerเป็นคำย่อมาจาก 'excited dimer ' (ไดเมอร์ที่ถูกกระตุ้น) ในขณะที่ 'exciplex' เป็นคำย่อมาจาก 'excited complex ' (คอมเพล็กซ์ที่ถูกกระตุ้น) เลเซอร์ excimer ส่วนใหญ่เป็นชนิดเฮไลด์ของก๊าซเฉื่อย ซึ่งในทางเทคนิคแล้ว คำว่าexcimer นั้น เป็นคำที่ไม่ถูกต้องนัก

เลเซอร์เอ็กไซเมอร์ได้รับการเสนอโดยFritz Houtermansใน ปี 1960 ^{[ 2 ]}การพัฒนาเลเซอร์เอ็กไซเมอร์เริ่มต้นจากการสังเกตการแคบลงของเส้นสเปกตรัมที่ 176 นาโนเมตรซึ่งรายงานในปี 1971 ^{[ 3 ]}โดยNikolai Basov , VA Danilychev และ Yu. M. Popov ที่สถาบันฟิสิกส์ Lebedevในมอสโกโดยใช้ซีนอนไดเมอร์ เหลว (Xe ₂ ) ที่ถูกกระตุ้นด้วย ลำแสง อิเล็กตรอนจากรายงานนี้ HA Koehler และคณะ ได้นำเสนอหลักฐานที่ดีกว่าของการปล่อยแบบกระตุ้นในปี 1972 ^{[ 4 ]}โดยใช้ก๊าซซีนอนความดันสูง หลักฐานที่ชัดเจนของการทำงานของเลเซอร์เอ็กไซเมอร์ซีนอนที่ 173 นาโนเมตร โดยใช้ก๊าซความดันสูงที่ 12 บรรยากาศ ซึ่งถูกกระตุ้นด้วยลำแสงอิเล็กตรอนเช่นกัน ได้รับการนำเสนอครั้งแรกในเดือนมีนาคม 1973 โดยMani Lal Bhaumikจาก Northrop Corporation, Los Angeles สังเกตพบการปล่อยแสงกระตุ้นที่รุนแรงเมื่อเส้นสเปกตรัมของเลเซอร์แคบลงจากช่วงต่อเนื่อง 15 นาโนเมตรเหลือเพียง 0.25 นาโนเมตร และความเข้มเพิ่มขึ้นเป็นพันเท่า กำลังเอาต์พุตโดยประมาณของเลเซอร์ที่ 1 จูลนั้นสูงพอที่จะทำให้ส่วนหนึ่งของสารเคลือบกระจกระเหยไป ซึ่งทำให้เกิดรูปแบบโหมดขึ้น การนำเสนอครั้งนี้ได้สร้างศักยภาพที่น่าเชื่อถือในการพัฒนาเลเซอร์กำลังสูงที่ความยาวคลื่นสั้น^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

การปรับปรุงในภายหลังคือการใช้เฮไลด์ของก๊าซเฉื่อย (เดิมคือXe Br ) ซึ่งพัฒนาโดยหลายกลุ่มในปี 1975 ^{[ 8 ]}กลุ่มเหล่านี้ได้แก่ ห้องปฏิบัติการวิจัย Avco Everett ^{[ 9 ]}ห้องปฏิบัติการ Sandia ^{[ 10 ]}ศูนย์วิจัยและเทคโนโลยี Northrop [ ^{11 ] ห้อง}ปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือของรัฐบาลสหรัฐอเมริกา[ ^{12 ]}ซึ่งยังได้พัฒนาเลเซอร์ XeCl ^{[ 13 ]}ที่ถูกกระตุ้นโดยใช้การปล่อยประจุไมโครเวฟ^{[ 14 ] และ}ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Los Alamos ^{[ 15 ]}

เลเซอร์เอ็กไซเมอร์โดยทั่วไปจะใช้ก๊าซเฉื่อย ( อาร์กอนคริปตอนหรือซีนอน ) ร่วม กับก๊าซ ที่ทำปฏิกิริยาได้ ( ฟลูออรีนหรือคลอรีน ) ภายใต้สภาวะการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าและความดันสูงที่เหมาะสม จะเกิด โมเลกุล เสมือน ที่เรียกว่าเอ็กไซเมอร์ (หรือในกรณีของเฮไลด์ของก๊าซเฉื่อย เรียกว่า เอ็กไซเพล็กซ์ ) ซึ่งสามารถคงอยู่ในสถานะที่มีพลังงานเท่านั้น และสามารถทำให้เกิด แสง เลเซอร์ในช่วงอัลตราไวโอเลต ได้ ^{[ 16 ] [ 17 ]}

การเกิดปรากฏการณ์เลเซอร์ในโมเลกุลเอ็กไซเมอร์เกิดขึ้นเนื่องจากโมเลกุลนี้มีสถานะกระตุ้น แบบผูกพัน (associative) แต่มีสถานะพื้นฐานแบบผลักกัน (dissociative) ก๊าซเฉื่อย เช่น ซีนอนและคริปตอน มี ความเฉื่อยสูงและโดยปกติจะไม่เกิดสารประกอบทางเคมีอย่างไรก็ตาม เมื่ออยู่ในสถานะกระตุ้น (ที่เกิดจากการปล่อยประจุไฟฟ้าหรือลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูง) พวกมันสามารถสร้างโมเลกุลที่ผูกพันกันชั่วคราวกับตัวเอง (เอ็กไซเมอร์) หรือกับฮาโลเจน (เอ็กซิเพล็กซ์) เช่นฟลูออรีนและคลอรีนสารประกอบที่ถูกกระตุ้นสามารถปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินโดยการปล่อย แสง แบบเกิดขึ้นเองหรือแบบกระตุ้น ส่งผลให้เกิดโมเลกุลในสถานะพื้นฐานที่มีแรงผลักกันอย่างมาก ซึ่งจะแตกตัวกลับไปเป็นอะตอมที่ไม่ผูกพันกันสองอะตอมอย่างรวดเร็ว (ในระดับพิโควินาที ) ทำให้เกิด การผกผัน ของ ประชากร

ความยาวคลื่น ของเลเซอร์เอ็กไซเมอร์ ขึ้นอยู่กับโมเลกุลที่ใช้ และโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงรังสีอัลตราไวโอเลตของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

เลเซอร์เอ็กไซเมอร์ เช่น XeF และ KrF สามารถปรับความถี่ได้ เล็กน้อย โดยใช้การจัดเรียงปริซึมและตะแกรงภายในโพรงเลเซอร์ที่หลากหลาย^{[ 18 ]}

แม้ว่าเลเซอร์เอ็กไซเมอร์ที่ปั๊มด้วยลำอิเล็กตรอนจะสามารถสร้างพัลส์พลังงานเดี่ยวสูงได้ แต่โดยทั่วไปแล้วพัลส์เหล่านั้นจะแยกจากกันด้วยช่วงเวลาที่ยาวนาน (หลายนาที) ข้อยกเว้นคือระบบ Electra ซึ่งออกแบบมาสำหรับการศึกษาฟิวชั่นแบบเฉื่อย ซึ่งสามารถสร้างพัลส์ได้ 10 พัลส์ โดยแต่ละพัลส์มีพลังงาน 500 J ในช่วงเวลา 10 วินาที^{[ 19 ]}ในทางตรงกันข้าม เลเซอร์เอ็กไซเมอร์ที่ปั๊มด้วยการปล่อยประจุ ซึ่งได้รับการสาธิตครั้งแรกที่ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือ สามารถสร้างพัลส์ได้อย่างต่อเนื่อง^{[ 20 ] [ 21 ]}อัตราการทำซ้ำพัลส์ที่สูงกว่าอย่างมาก (ประมาณ 100 Hz) และขนาดที่เล็กกว่า ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้มากมายตามที่ระบุไว้ในส่วนถัดไป เลเซอร์อุตสาหกรรมหลายรุ่นได้รับการพัฒนาที่ XMR, Inc ^{[ 22 ]}ในเมืองซานตาคลารา รัฐแคลิฟอร์เนีย ระหว่างปี 1980 ถึง 1988 เลเซอร์ส่วนใหญ่ที่ผลิตได้คือเลเซอร์ซีนอนคลอไรด์ (XeCl) โดยมีพลังงานต่อเนื่อง 1 จูลต่อพัลส์ ที่อัตราการทำซ้ำ 300 พัลส์ต่อวินาที เป็นมาตรฐาน เลเซอร์นี้ใช้ไทราตรอนกำลังสูงและการสลับสนามแม่เหล็กพร้อมการแตกตัวเป็นไอออนล่วงหน้าด้วยโคโรนา และมีอายุการใช้งาน 100 ล้านพัลส์โดยไม่ต้องบำรุงรักษามากนัก ก๊าซที่ใช้ในการทำงานเป็นส่วนผสมของซีนอน ไฮโดรคลอไรด์ และนีออน ที่ความดันประมาณ 5 บรรยากาศ มีการใช้สแตนเลส การชุบนิกเกิล และอิเล็กโทรดนิกเกิลแข็งอย่างกว้างขวางเพื่อลดการกัดกร่อนเนื่องจากก๊าซไฮโดรคลอไรด์ ปัญหาสำคัญอย่างหนึ่งที่พบคือการเสื่อมสภาพของหน้าต่างแสงเนื่องจากการสะสมของคาร์บอนบนพื้นผิวของหน้าต่าง CaF2 ซึ่งเกิดจากไฮโดรคลอโรคาร์บอนที่เกิดขึ้นจากคาร์บอนจำนวนเล็กน้อยในโอริงทำปฏิกิริยากับก๊าซไฮโดรคลอไรด์ ไฮโดรคลอโรคาร์บอนจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป และดูดซับแสงเลเซอร์ ทำให้พลังงานเลเซอร์ลดลงอย่างช้าๆ นอกจากนี้ สารประกอบเหล่านี้จะสลายตัวในลำแสงเลเซอร์ที่มีความเข้มสูง และสะสมอยู่บนกระจก ทำให้พลังงานลดลงไปอีก การเปลี่ยนก๊าซเลเซอร์และกระจกเป็นระยะๆ จึงต้องเสียค่าใช้จ่ายจำนวนมาก ปัญหานี้ได้รับการปรับปรุงอย่างมากโดยการใช้ระบบการทำให้ก๊าซบริสุทธิ์ ซึ่งประกอบด้วยกับดักความเย็นที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิของไนโตรเจนเหลวเล็กน้อย และปั๊มสูบลมโลหะเพื่อหมุนเวียนก๊าซเลเซอร์ผ่านกับดักความเย็น กับดักความเย็นประกอบด้วยอ่างเก็บไนโตรเจนเหลวและเครื่องทำความร้อนเพื่อเพิ่มอุณหภูมิเล็กน้อย เนื่องจากที่ 77 K (จุดเดือดของไนโตรเจนเหลว) ความดันไอของซีนอนต่ำกว่าความดันใช้งานที่ต้องการในส่วนผสมของก๊าซเลเซอร์ HCl ถูกแช่แข็งในกับดักความเย็น และมีการเติม HCl เพิ่มเติมเพื่อรักษาสัดส่วนของก๊าซให้เหมาะสม ผลข้างเคียงที่น่าสนใจอย่างหนึ่งคือพลังงานเลเซอร์เพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ เมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งเกิดจากการเพิ่มขึ้นของความดันย่อยของไฮโดรเจนในส่วนผสมของก๊าซที่เกิดจากปฏิกิริยาช้าๆ ของคลอรีนกับโลหะต่างๆ เมื่อคลอรีนทำปฏิกิริยา ไฮโดรเจนจะถูกปล่อยออกมา ทำให้ความดันย่อยเพิ่มขึ้น ผลลัพธ์สุทธิเหมือนกับการเติมไฮโดรเจนลงในส่วนผสมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเลเซอร์ ตามที่ TJ McKee และคณะรายงานไว้^{[ 23 ]}

นับตั้งแต่ทศวรรษ 1960 การใช้งานเลเซอร์เอ็กไซเมอร์ในอุตสาหกรรมที่แพร่หลายที่สุดคือการพิมพ์ภาพด้วยแสง อัลตราไวโอเลต ^{แบบลึก [ 24} ] ^{[ 25 ]ซึ่งเป็น}เทคโนโลยีสำคัญที่ใช้ในการผลิต อุปกรณ์ ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ในอดีต ตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1960 จนถึงกลางทศวรรษ 1980 หลอดไฟปรอท-ซีนอนถูกนำมาใช้ในการพิมพ์ภาพเนื่องจากมีเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่น 436, 405 และ 365 นาโนเมตร อย่างไรก็ตาม ด้วยความต้องการของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องการทั้งความละเอียดสูงขึ้น (เพื่อผลิตชิปที่มีความหนาแน่นและเร็วขึ้น) และปริมาณงานที่สูงขึ้น (เพื่อลดต้นทุน) เครื่องมือพิมพ์ภาพแบบใช้หลอดไฟจึงไม่สามารถตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรมได้อีกต่อไป ความท้าทายนี้ได้รับการแก้ไขเมื่อมีการพัฒนาบุกเบิกในปี 1982 โดยKanti Jain ได้เสนอและสาธิตการพิมพ์ภาพด้วยเลเซอร์เอ็กไซเมอร์แบบอัลตราไวโอเลตแบบลึกที่ IBM ^{[ 24 ] [ 26 ] [ 25 ] [ 27 ]} จากมุมมองทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่กว้างขึ้น นับตั้งแต่การประดิษฐ์เลเซอร์ในปี พ.ศ. 2503 การพัฒนาเลเซอร์เอ็กไซเมอร์ลิโทกราฟีได้รับการเน้นย้ำว่าเป็นหนึ่งในเหตุการณ์สำคัญในประวัติศาสตร์ของเลเซอร์^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

เครื่องมือลิโทกราฟีในปัจจุบัน (ณ ปี 2021) ส่วนใหญ่ใช้แสงอัลตราไวโอเลตลึก (DUV) จากเลเซอร์เอ็กไซเมอร์ KrF และ ArF ที่มีความยาวคลื่น 248 และ 193 นาโนเมตร (เรียกว่า "ลิโทกราฟีด้วยเลเซอร์เอ็กไซเมอร์" ^{[ 24 ] [ 26 ] [ 25 ] [ 31 ]} ) ซึ่งทำให้ขนาดของคุณสมบัติของทรานซิสเตอร์ลดลงเหลือ 7 นาโนเมตร (ดูด้านล่าง) ดังนั้น ลิโทกราฟีด้วยเลเซอร์เอ็กไซเมอร์จึงมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของสิ่งที่เรียกว่ากฎของมัวร์ในช่วง 25 ปีที่ผ่านมา^{[ 32 ]}ประมาณปี 2020 ลิโทกราฟีด้วยแสงอัลตราไวโอเลตแบบสุดขั้ว (EUV) เริ่มเข้ามาแทนที่ลิโทกราฟีด้วยเลเซอร์เอ็กไซเมอร์เพื่อปรับปรุงความละเอียดของกระบวนการลิโทกราฟีวงจรเซมิคอนดักเตอร์ให้ดียิ่งขึ้น^{[ 33 ]}

ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือได้สร้างระบบสองระบบ ได้แก่เลเซอร์คริปตอนฟลูออไรด์ (248 นาโนเมตร) และเลเซอร์อาร์กอนฟลูออไรด์ (193 นาโนเมตร) เพื่อทดสอบแนวทางในการพิสูจน์ วิธี การฟิวชั่นแบบกัก เก็บด้วยแรงเฉื่อย ระบบเหล่านี้คือระบบ เลเซอร์ Electra และ Nike เนื่องจากเลเซอร์เอ็กไซเมอร์เป็นระบบที่ใช้ก๊าซ เลเซอร์จึงไม่ร้อนขึ้นเหมือนระบบโซลิดสเตท เช่นNational Ignition FacilityและOmega Laser Electra แสดงให้เห็นการยิง 90,000 ครั้งใน 10 ชั่วโมง ซึ่งเหมาะสำหรับ โรงไฟฟ้าฟิวชั่ นแบบกักเก็บด้วย แรงเฉื่อย ^{[ 34 ]}

แสงอัลตราไวโอเลตจากเลเซอร์เอ็กไซเมอร์ถูกดูดซับได้ดีโดยสารชีวภาพและสารประกอบอินทรีย์แทนที่จะเผาไหม้หรือตัดวัสดุ เลเซอร์เอ็กไซเมอร์จะเพิ่มพลังงานมากพอที่จะทำลายพันธะโมเลกุลของเนื้อเยื่อบนพื้นผิว ทำให้ เนื้อเยื่อ สลายตัวไปในอากาศอย่างมีประสิทธิภาพในลักษณะที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำผ่านกระบวนการอะเบลชั่นแทนที่จะเป็นการเผาไหม้ ดังนั้นเลเซอร์เอ็กไซเมอร์จึงมีคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์คือสามารถกำจัดชั้นผิววัสดุที่บางมากได้โดยแทบไม่มีความร้อนหรือการเปลี่ยนแปลงใดๆ ต่อส่วนที่เหลือของวัสดุที่ยังคงอยู่ คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เลเซอร์เอ็กไซเมอร์เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการขึ้นรูปไมโครวัสดุอินทรีย์ที่มีความแม่นยำสูง (รวมถึงพอลิเมอร์และพลาสติกบางชนิด) หรือการผ่าตัด ที่ละเอียดอ่อน เช่นการผ่าตัดตาด้วยเลเซอร์ LASIKในช่วงปี 1980–1983 Rangaswamy Srinivasan , Samuel BlumและJames J. Wynneที่ศูนย์วิจัย TJ WatsonของIBMได้สังเกตผลของเลเซอร์เอ็กไซเมอร์อัลตราไวโอเลตต่อวัสดุชีวภาพ ด้วยความสนใจ พวกเขาจึงทำการวิจัยเพิ่มเติมและพบว่าเลเซอร์สามารถตัดได้อย่างสะอาดและแม่นยำ ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผ่าตัดที่ละเอียดอ่อน ส่งผลให้ได้รับสิทธิบัตรพื้นฐาน^{[ 35 ]}และ Srinivasan, Blum และ Wynne ได้รับเลือกเข้าสู่หอเกียรติยศนักประดิษฐ์แห่งชาติในปี 2002 ในปี 2012 สมาชิกในทีมได้รับเกียรติจากประธานาธิบดีบารัค โอบามา แห่งสหรัฐอเมริกา ให้ได้รับ เหรียญรางวัลแห่งชาติสาขาเทคโนโลยีและนวัตกรรมสำหรับผลงานที่เกี่ยวข้องกับเลเซอร์เอ็กไซเมอร์^{[ 36 ]} งานวิจัยต่อมาได้แนะนำการใช้เลเซอร์เอ็กไซเมอร์ในการทำหัตถการขยายหลอดเลือด^{[ 37 ]}เลเซอร์เอ็กไซเมอร์ซีนอนคลอไรด์ (308 นาโนเมตร) ยังใช้ในการรักษาโรคผิวหนังหลายชนิด รวมถึงโรค สะเก็ด เงินโรคด่างขาว โรค ผิวหนังอักเสบภูมิแพ้ โรคผมร่วงเป็นหย่อม^และโรคด่างขาว[ ^{38 ]}

โดยทั่วไปแล้ว เลเซอร์เอ็กไซเมอร์ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดแสงนั้นมีขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นข้อเสียในการนำไปใช้ทางการแพทย์ แม้ว่าขนาดของมันจะลดลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากการพัฒนาอย่างต่อเนื่องก็ตาม

กำลังดำเนินการวิจัยเพื่อเปรียบเทียบความแตกต่างในผลลัพธ์ด้านความปลอดภัยและประสิทธิผลระหว่างการผ่าตัดแก้ไขสายตา ด้วยเลเซอร์เอ็กไซเมอร์แบบดั้งเดิม กับการผ่าตัดแก้ไขสายตาด้วยการนำทางคลื่นหรือปรับคลื่นให้เหมาะสม เนื่องจากวิธีการนำทางคลื่นอาจแก้ไขความคลาดเคลื่อนลำดับสูง ได้ดี กว่า^{[ 39 ]}

เลเซอร์เอ็กไซเมอร์ยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์หลายสาขา ทั้งในฐานะแหล่งกำเนิดแสงหลัก และโดยเฉพาะอย่างยิ่งเลเซอร์ XeCl ในฐานะแหล่งกำเนิดแสงปั๊มสำหรับเลเซอร์ย้อมสี ที่ปรับได้ โดยส่วนใหญ่เพื่อกระตุ้นสีย้อมเลเซอร์ที่ปล่อยแสงในช่วงสีน้ำเงิน-เขียวของสเปกตรัม^{[ 40 ] [ 41 ]}เลเซอร์เหล่านี้ยังนิยมใช้ใน ระบบ การสะสมด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ซึ่งความเข้มของพลังงาน สูง ความยาวคลื่นสั้น และคุณสมบัติของลำแสงที่ไม่ต่อเนื่อง ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการระเหยของวัสดุหลากหลายชนิด^{[ 42 ]}

Scholiaมีข้อมูลจำเพงสำหรับเลเซอร์เอ็กไซเมอร์(Q241056 )

• เครื่องทำให้ลำแสงสม่ำเสมอ
• เลเซอร์ไฟฟ้า
• หลอดไฟเอ็กไซเมอร์
• กฎของมัวร์
• เลเซอร์ไนโตรเจน