एक्साइमर लेजर

उत्तेजद्वयी (एक्साइमर) लेज़र, जिसे कभी-कभी अधिक सही रूप से  एक्सिप्लेक्स लेज़र  कहा जाता है, पराबैंगनी लेज़र का एक रूप है, जिसका उपयोग सामान्य रूप से सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, अर्धचालक आधारित एकीकृत परिपथ या चिप्स, नेत्र शल्य चिकित्सा और सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली के उत्पादन में किया जाता है। 1960 के दशक के बाद से उत्तेजद्वयी लेज़रों का व्यापक रूप से उच्च-विभेदन फोटोलिथोग्राफी मशीनों में उपयोग किया जाता है, जो कि सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक चिप निर्माण के लिए आवश्यक महत्वपूर्ण तकनीकों में से एक है।

शब्दावली और इतिहास
उत्तेजद्वयी शब्द 'उत्तेजित द्वितय' (रसायन विज्ञान) के लिए छोटा है, जबकि एक्सिप्लेक्स 'उत्तेजित सम्मिश्रण' (रसायन विज्ञान) के लिए छोटा है। अधिकांश उत्तेजद्वयी लेज़र उत्कृष्‍ट गैस हलाइड प्रकार के होते हैं, जिसके लिए शब्द उत्तेजद्वयी एक मिथ्या नाम है। हालांकि सामान्य रूप से कम उपयोग किया जाता है, इसके लिए उपयुक्त शब्द 'एक्सिप्लेक्स लेजर' है।

उत्तेजद्वयी लेजर 1960 में फ्रिट्ज हौटरमैन्स द्वारा प्रस्तावित किया गया था। उत्तेजद्वयी लेज़र का विकास 1971 में रिपोर्ट की गई 176 नैनोमीटर  पर प्रारम्भिक वर्णक्रमीय रेखा के संकुचन के अवलोकन के साथ प्रारंभ हुआ मास्को में लेबेदेव भौतिक संस्थान में निकोलाई बसोव, वी. ए. डेनिलचेव और यू एम पोपोव द्वारा एक इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज द्वारा उत्तेजित तरल जीनॉन द्वितय (Xe2) का उपयोग कर रहे है। इस रिपोर्ट से प्रेरित होकर, एच.ए. कोहलर एट अल ने 1972 में उत्तेजित उत्सर्जन की अधिकतम शुद्ध पुष्टि प्रस्तुत की, और 12 वायुमंडल पर एक उच्च दबाव गैस का उपयोग करते हुए 173 नैनोमीटर पर एक जीनॉन उत्तेजद्वयी लेजर क्रिया का निश्चित प्रमाण जिसे एक इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज द्वारा भी पंप किया गया था, पहली बार मार्च 1973 में नॉर्थ्रॉप संस्था, लॉस एंजिल्स के मणि लाल भौमिक द्वारा प्रस्तुत किया गया था। जब लेजर की वर्णक्रमीय रेखा 15 नैनोमीटर की निरंतरता से केवल 0.25 नैनोमीटर तक सीमित हो गई, और तीव्रता एक हजार गुना बढ़ गई, तो प्रबल उत्तेजित उत्सर्जन देखा गया। लेजर का 1 जूल का अनुमानित उत्पादन दर्पण परत के भाग को वाष्पित करने के लिए पर्याप्त था, जिसने इसके मोड पैटर्न को अंकित किया। इस प्रस्तुति ने कम तरंग दैर्ध्य पर उच्च शक्ति वाले लेज़रों के विकास की विश्वसनीय क्षमता स्थापित की।

बाद का एक सुधार 1975 में कई समूहों द्वारा विकसित उत्कृष्‍ट गैस हलोजन (मूल रूप से जीनॉन ब्रोमिन ) का उपयोग था। इन समूहों में एवको एवरेट अनुसंधान प्रयोगशाला, सांडिया प्रयोगशालाएँ, अनुसंधान और प्रौद्योगिकी केंद्र, संयुक्त राज्य अमेरिका के सरकार की नौसेना अनुसंधान प्रयोगशाला सम्मिलित है। जिसने एक XeCl लेज़र भी विकसित किया जो सूक्ष्मतरंग निर्वहन, और लॉस एलामोस राष्ट्रीय प्रयोगशाला का उपयोग करके उत्तेजित था।

निर्माण और संचालन
एक उत्तेजद्वयी लेज़र लेज़र निर्माण एक उत्कृष्‍ट गैस (आर्गन, क्रीप्टोण, या जीनॉन) और प्रतिक्रियाशील गैस गैस (फ्लोरीन या क्लोरीन) के संयोजन का उपयोग करता है। विद्युत उत्तेजना और उच्च दबाव की उपयुक्त स्थितियों के अंतर्गत, एक छद्म-अणु जिसे उत्तेजद्वयी कहा जाता है (या उत्कृष्‍ट गैस हलाइड्स, एक्सिप्लेक्स की स्थिति में) बनाया जाता है, जो केवल एक सक्रिय अवस्था में सम्मिलित हो सकता है और पराबैंगनी सीमा लेजर प्रकाश को उत्पन्न कर सकती है। उत्तेजद्वयी अणु में लेजर क्रिया इसलिए होती है क्योंकि इसमें एक बाध्य (सहयोगी) उत्तेजित अवस्था होती है, लेकिन एक प्रतिकारक अवस्था (विघटनकारी) निम्नतम अवस्था होती है। जीनॉन और क्रिप्टन जैसी उत्कृष्‍ट गैसें अत्यधिक अक्रिय गैस हैं और सामान्य रूप से रासायनिक यौगिक नहीं बनाती हैं। हालांकि, जब एक उत्तेजित अवस्था में (विद्युत निर्वहन या उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन किरण-पुंज से प्रेरित), वे अस्थायी रूप से बाध्य अणुओं को स्वयं (उत्तेजद्वयी) या हलोजन (एक्सिप्लेक्स) जैसे फ्लोरीन और क्लोरीन के साथ बना सकते हैं। उत्तेजित यौगिक अपनी अतिरिक्त ऊर्जा को सामान्य उत्सर्जन या उत्तेजित उत्सर्जन से गुजरने के द्वारा जारी कर सकता है, जिसके परिणामस्वरूप एक दृढ़ता से प्रतिकारक निम्नतम अणु होता है जो बहुत शीघ्र (एक पीकोसैकन्ड के क्रम में) दो अनाबद्ध परमाणुओं में वापस अलग हो जाता है। यह जनसंख्या व्युत्क्रमण बनाता है।

तरंग दैर्ध्य निर्धारण
उत्तेजद्वयी लेज़र की तरंग दैर्ध्य उपयोग किए गए अणुओं पर निर्भर करती है, और सामान्य रूप से विद्युत चुम्बकीय विकिरण की पराबैंगनी प्रभाव सीमा में होती है:

XeF और KrF जैसे उत्तेजद्वयी लेसरों को भी विभिन्न प्रकार के प्रिज्म और विवर्तन अंतर्गुहा व्यवस्थाओं का उपयोग करके अल्प समस्वरित करने योग्य बनाया जा सकता है।

स्पंदन पुनरावृत्ति दर
जबकि इलेक्ट्रॉन-किरण-पुंज पंप उत्तेजद्वयी लेज़र उच्च एकल ऊर्जा स्पंदन को उत्पादन कर सकते हैं, वे सामान्य रूप से लंबी अवधि (कई मिनट) से अलग होते हैं। एक आक्षेप इलेक्ट्रा प्रणाली था, जिसे जड़त्वीय संलयन अध्ययन के लिए डिज़ाइन किया गया था, जो 10 सेकंड की अवधि में 500 जूल मापने वाले प्रत्येक 10 स्पंदन के विस्फोट का उत्पादन कर सकता था। इसके विपरीत, निर्वहन-पंप उत्तेजद्वयी लेज़र, जिसे पहली बार नौसेना अनुसंधान प्रयोगशाला में प्रदर्शित किया गया था, स्पंदन की एक स्थिर धारा का उत्पादन करने में सक्षम हैं। उनकी महत्वपूर्ण रूप से उच्च स्पंद पुनरावृत्ति दर (आदेश 100 हर्ट्ज) और छोटे पदचिह्न ने निम्नलिखित खंड में सूचीबद्ध अनुप्रयोगों के विस्तार को संभव बनाया। 1980 और 1988 के बीच सांता क्लारा, कैलिफोर्निया में एक्सएमआर में औद्योगिक लेसरों की एक श्रृंखला विकसित की गई थी। उत्पादित अधिकांश लेजर XeCl थे, और प्रति सेकंड 300 स्पंदन की पुनरावृत्ति दर पर 1 जूल प्रति स्पंद की निरंतर ऊर्जा मानक दर थी। इस लेज़र ने कोरोना पूर्व-आयनीकरण के साथ एक उच्च शक्ति थायरेट्रॉन और चुंबकीय स्विचिंग का उपयोग किया और बिना किसी बड़े संरक्षण के 100 मिलियन स्पंदन के लिए निर्धारित किया गया। परिचालन गैस लगभग 5 वायुमंडल में जीनॉन, हाइड्रोजन क्लोराइड और नियॉन का मिश्रण था। हाइड्रोजन क्लोराइड गैस के कारण क्षरण को कम करने के लिए जंगरोधी इस्पात, निकैल लेपन और ठोस निकल इलेक्ट्रोड का व्यापक उपयोग सम्मिलित किया गया था। कैल्शियम फ्लोराइड गवाक्ष की सतह पर कार्बन निर्माण के कारण सामने प्रदर्शित एक बड़ी समस्या प्रकाशीय गवाक्ष का क्षरण था। यह हाइड्रोजन क्लोराइड गैस के साथ प्रतिक्रिया करने वाले O-वलय में कार्बन की अल्प मात्रा से बनने वाले हाइड्रो-क्लोरो-कार्बन के कारण था। हाइड्रो-क्लोरो-कार्बन धीरे-धीरे समय के साथ बढ़ेंगे और लेजर प्रकाश को अवशोषित करेंगे, जिससे लेजर ऊर्जा में मंद कमी आएगी। इसके अतिरिक्त ये यौगिक तीव्र लेजर किरण-पुंज में विघटित हो जाते हैं और गवाक्ष पर एकत्रित हो जाते हैं, जिससे ऊर्जा में और कमी आती है। अपेक्षाकृत अधिक व्यय पर लेजर गैस और गवाक्ष के आवधिक प्रतिस्थापन की आवश्यकता थी। गैस शुद्धिकरण प्रणाली के उपयोग से इसमें अपेक्षाकृत अधिक सुधार हुआ था जिसमें ठंडे जाल के माध्यम से लेजर गैस को पुन: प्रवाहित करने के लिए तरल नाइट्रोजन तापमान और धातु अरक्ती पंप से अल्प ऊपर शीत जाल सम्मिलित था। शीत जाल में एक तरल नाइट्रोजन संग्रह और तापमान को अल्प बढ़ाने के लिए एक ऊष्मक सम्मिलित था, क्योंकि 77 केल्विन (तरल नाइट्रोजन क्वथनांक) पर जीनॉन वाष्प का दबाव लेजर गैस मिश्रण में आवश्यक परिचालन दबाव से कम था। शीत जाल में हाइड्रोजन क्लोराइड स्थिर हो गया था, और उपयुक्त गैस अनुपात बनाए रखने के लिए अतिरिक्त हाइड्रोजन क्लोराइड जोड़ा गया था। इसका एक रोचक दुष्प्रभाव समय के साथ लेजर ऊर्जा में मंद वृद्धि थी, जिसका श्रेय विभिन्न धातुओं के साथ क्लोरीन की मंद प्रतिक्रिया के कारण गैस मिश्रण में हाइड्रोजन के आंशिक दबाव में वृद्धि को जाता है। जैसे ही क्लोरीन ने प्रतिक्रिया की, आंशिक दबाव बढ़ाते हुए हाइड्रोजन को निर्मुक्त कर दिया गया। शुद्ध परिणाम लेजर दक्षता बढ़ाने के लिए मिश्रण में हाइड्रोजन जोड़ने के समान था जैसा कि टी जे मैककी एट अल द्वारा रिपोर्ट किया गया था।

फोटोलिथोग्राफी (प्रकाश अश्मलेखन)
1960 के दशक के बाद से उत्तेजद्वयी लेज़रों का सबसे व्यापक औद्योगिक अनुप्रयोग स्थायी-पराबैंगनी फोटोलिथोग्राफी में रहा है, सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण में उपयोग की जाने वाली एक महत्वपूर्ण तकनीक होती है। ऐतिहासिक रूप से, 1960 के दशक के प्रारंभ से लेकर 1980 के दशक के मध्य तक, 436, 405 और 365 नैनोमीटर तरंग दैर्ध्य पर उनकी वर्णक्रमीय रेखाओं के लिए लिथोग्राफी में पारा-जीनॉन लैंप का उपयोग किया गया था। हालांकि, अर्ध-संचालक उद्योग की उच्च वियोजन (सघन और तेज़ चिप्स का उत्पादन करने के लिए) और उच्च प्रवाह क्षमता (कम कीमत के लिए) दोनों की आवश्यकता के साथ, लैंप-आधारित लिथोग्राफी उपकरण अब उद्योग की आवश्यकताओं को पूरा करने में सक्षम नहीं थे। यह चुनौती तब दूर हो गई जब 1982 में एक अग्रणी विकास में, कांति जैन  द्वारा अंतरराष्ट्रीय व्यवसाय मशीन में स्थायी पराबैंगनी उत्तेजद्वयी लेजर लिथोग्राफी का प्रस्ताव और प्रदर्शन किया गया। 1960 में लेजर के आविष्कार के बाद से और भी व्यापक वैज्ञानिक और तकनीकी दृष्टिकोण से, उत्तेजद्वयी लेजर लिथोग्राफी के विकास को लेजर के इतिहास में प्रमुख लक्ष्य के रूप में प्रदर्शित किया गया है।

वर्तमान लिथोग्राफी उपकरण (2021 तक) अधिकतम 248 और 193 नैनोमीटर (उत्तेजद्वयी लेजर लिथोग्राफी कहा जाता है) के तरंग दैर्ध्य के साथ KrF और आर्गन फ्लोराइड उत्तेजद्वयी लेजर से स्थायी पराबैंगनी (डीयूवी) प्रकाश का उपयोग करते हैं।  जिसने संक्रामक सुविधा के आकार को 7 नैनोमीटर तक संकुचन में सक्षम (नीचे देखें) बनाया है। उत्तेजद्वयी लेजर लिथोग्राफी ने पिछले 25 वर्षों से तथाकथित मूर के नियम की निरंतर विकास में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है। लगभग 2020 तक, अत्यधिक पराबैंगनी लिथोग्राफी (ईयूएल) ने अर्ध-संचालक परिपथ लिथोग्राफी प्रक्रिया के वियोजन को और अपेक्षाकृत अधिक अच्छा बनाने के लिए उत्तेजद्वयी लेजर लिथोग्राफी को बदलना प्रारंभ कर दिया है।

संलयन
नौसेना अनुसंधान प्रयोगशाला ने दो प्रणालियों, क्रिप्टन फ्लोराइड लेजर (248 नैनोमीटर) और आर्गन फ्लोराइड लेजर (193 नैनोमीटर) का निर्माण किया, ताकि जड़त्वीय बंधन संलयन दृष्टिकोण को प्रमाणित करने के लिए दृष्टिकोण का परीक्षण किया जा सके। ये इलेक्ट्रा और नाइके लेजर प्रणाली थे। क्योंकि उत्तेजद्वयी लेज़र एक गैस-आधारित प्रणाली है,और लेज़र ठोस अवस्था प्रणाली जैसे राष्ट्रीय प्रज्वलन सुविधा और ओमेगा लेज़र जैसी ठोस अवस्था वाली प्रणालियों की तरह गर्म नहीं होता है। इलेक्ट्रा ने जड़त्वीय संलयन ऊर्जा संयंत्र के लिए आदर्श 10 घंटे में 90,000 शॉट्स का प्रदर्शन किया।

चिकित्सा उपयोग
उत्तेजद्वयी लेज़र से निकलने वाली पराबैंगनी किरणें जैविक पदार्थ और कार्बनिक यौगिकों द्वारा अच्छी तरह से अवशोषित हो जाती हैं। पदार्थ को जलाने या काटने के अतिरिक्त, उत्तेजद्वयी लेजर सतह के ऊतकों के आणविक बंधनों को बाधित करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा जोड़ता है, जो प्रभावी रूप से प्रभावशाली उत्तेजन के अतिरिक्त पृथक्करण के माध्यम से हवा में एक दृढ़ नियंत्रित तरीके से विघटित हो जाता है। इस प्रकार उत्तेजद्वयी लेसरों के पास उपयोगी गुण है कि वे सतह पदार्थ की असाधारण रूप से सूक्ष्म परतों को लगभग बिना किसी ताप के हटा सकते हैं या शेष पदार्थ को अपरिवर्तित छोड़ सकते हैं। ये गुण उत्तेजद्वयी लेज़रों को परिशुद्ध सूक्ष्म-मशीनन कार्बनिक पदार्थ (कुछ बहुलक और प्लास्टिक सहित), या नेत्र शल्य चिकित्सा एलएएसआईके जैसी सूक्ष्म शल्य चिकित्सा के अनुकूल बनाते हैं। 1980-1983 में, अंतरराष्ट्रीय व्यवसाय मशीन के थॉमस जे. वॉटसन अनुसंस्थान केंद्र में रंगास्वामी श्रीनिवासन, सैमुअल ब्लम और जेम्स जे. वाईन टी जे वाटसन अनुसंधान केंद्र ने जैविक पदार्थों पर पराबैंगनी उत्तेजद्वयी लेजर के प्रभाव का अवलोकन किया। हालांकि, उन्होंने आगे की जांच की, यह पता चला कि लेजर ने स्पष्ट, परिशुद्ध नमूना जो सूक्ष्म शल्य चिकित्सा के लिए आदर्श होगी। इसके परिणामस्वरूप एक मौलिक पेटेंट हुआ और श्रीनिवासन, ब्लम और वाईन को 2002 में राष्ट्रीय आविष्कारक हॉल ऑफ फ़ेम के लिए चयन किया गया था। 2012 में, टीम के सदस्यों को उत्तेजद्वयी लेजर से संबंधित उनके काम के लिए संयुक्त राज्य अमेरिका के राष्ट्रपति बराक ओबामा द्वारा प्रौद्योगिकी और नवाचार के राष्ट्रीय पदक से सम्मानित किया गया था।. उसके बाद के कार्य ने वाहिकासंधान में उपयोग के लिए उत्तेजद्वयी लेजर प्रस्तुत किया। ज़ेनॉन क्लोराइड (308 नैनोमीटर) उत्तेजद्वयी लेज़र त्वचा रोग, अर्जितश्वित्र, एटोपी त्वक्शोथ, एलोपेसिया एरीटा ̈(गंजापन) और ल्यूकोडर्मा सहित विभिन्न प्रकार की त्वचा संबंधी स्थितियों का भी उपचार कर सकता है।

प्रकाश स्रोतों के रूप में, उत्तेजद्वयी लेज़र सामान्य रूप से आकार में बड़े होते हैं, जो उनके चिकित्सा अनुप्रयोगों में एक हानि है, हालांकि चल रहे विकास के साथ उनका आकार तीव्रता से कम हो रहा है।

पारंपरिक उत्तेजद्वयी लेजर अपवर्तक शल्य चिकित्सा और तरंगाग्र-निर्देशित या तरंगाग्र-अनुकूलित अपवर्तक शल्य चिकित्सा के बीच सुरक्षा और प्रभावशीलता के परिणामों में अंतर की तुलना करने के लिए अनुसंधान किया जा रहा है, क्योंकि तरंगाग्र तरीके उच्च-क्रम विपथन के लिए अधिकतम रूप से सही हो सकते हैं।

वैज्ञानिक अनुसंधान
उत्तेजद्वयी लेज़रों का व्यापक रूप से वैज्ञानिक अनुसंधान के कई क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है, दोनों प्राथमिक स्रोतों और विशेष रूप से XeCl लेज़र के रूप में, समस्वरित करने योग्य रंजक लेज़रों के लिए पंप स्रोतों के रूप में, मुख्य रूप से स्पेक्ट्रम के नीले-हरे क्षेत्र में निकलने वाले लेज़र रंगों को उत्तेजित करने के लिए किया जाता है। इन लेज़रों का उपयोग सामान्य रूप से स्पंदित लेज़र निक्षेपण प्रणालियों में भी किया जाता है, जहाँ उनके बड़े प्रवाह, लघु तरंग दैर्ध्य और गैर-निरंतर किरणपुंज गुण उन्हें पदार्थ की एक विस्तृत श्रृंखला के पृथक्करण के लिए आदर्श बनाते हैं।

यह भी देखें

 * किरण-पुंज होमोजेनाइज़र
 * इलेक्ट्रोलेजर
 * उत्तेजद्वयी लैंप
 * क्रिप्टन फ्लोराइड लेजर
 * मूर की विधि
 * नाइट्रोजन लेजर
 * फोटोलिथोग्राफी