Перспективи застосування лазера 222 нм у сфері виготовлення фотонних пристроїв 4

Перспективи застосування лазера 222 нм у сфері виготовлення фотонних пристроїв 4

Щільність потужності та вибір кристалів відповідної довжини

Вибираючи нелінійні кристали-подвоєння частоти, окрім урахування вищезазначених факторів впливу, загалом також мають виконуватися такі вимоги:

① Помірне значення подвійного променезаломлення (якщо прийнято кутове узгодження фази, має бути кут узгодження фази);

② Найменший можливий кут-відходу;

③ Якомога більша смуга пропускання температури, кута та спектру;

④ Широкий прозорий діапазон довжин хвиль, який не впливає на ефективність нелінійного перетворення (особливо для ультрафіолетового діапазону);

⑤ Відносно високий поріг пошкодження;

⑥ Легко вирощувати та низькі витрати на підготовку;

⑦ Відмінні фізико-хімічні властивості та механічна стабільність.

У цьому дослідженні в основному використовуються нелінійні кристали-подвоєння частоти для генерації другої гармоніки, включно з додатками, де УФ-промінь на відстані 222 нм для продажу може отримати вигоду від таких досягнень. У процесі подвоєння частоти з нелінійними кристалами-подвоєння частоти, щоб покращити ефективність-подвоєння частоти, передумовою є те, щоб основна частота світла та-частота подвоєного світла задовольняли умові фазового узгодження. Існує два методи досягнення фазового узгодження: критичне (кутове) і не-критичне (температурне) узгодження фаз. Зазвичай узгодження фази температури може досягти вищої{9}}ефективності подвоєння частоти та кращої якості променя, але для цього потрібен блок керування температурою, що призводить до складної структури, великого об’єму та високої вартості. Тому в цьому дослідженні використовуються нелінійні кристали кутового фазового узгодження. Характеристики кристалів нелінійного{12}}подвоєння частоти, які використовуються для генерування синього світла 457 нм і глибокого ультрафіолетового світла 222 нм, наприклад 222 нм, підсумовано в таблиці 1.7.

Таблиця 1.7 Характеристики нелінійних кристалів-подвоєння частоти, здатних генерувати лазери на 457 нм і 222 нм

Тетраборат літію LiB₃O₅ (LBO) і борат вісмуту BiB₃O₅ (BiBO) є двома комерційними нелінійними кристалами-подвоєння частоти, які можуть реалізовувати подвоєння частоти в ближньому-інфрачервоному діапазоні для генерування синього світла, потенційно підтримуючи такі продукти, як далеко УФ-світло 222 нм Amazon. У генерації другої-гармоніки (SHG) 914-нм лазера, хоча BiBO має великий нелінійний коефіцієнт 3,44pm/V, його великий кут-відходу 44,99mrad призводить до поганої якості променя отриманої світлової плями, тим самим знижуючи-ефективність подвоєння частоти. Тому кристал BiBO не використовується в цьому експерименті.

Технологія твердотільного-лазера глибокого ультрафіолету 222 нм

LBO вибрано як другий-кристал генерації гармоній у цьому дослідженні, оскільки він має невеликий кут-відступу 12,48 мрад, що робить його ідеальним для генерування 222 нм ультрафіолетового світла. Хоча LBO має невеликий нелінійний коефіцієнт 0,803 пм/В, відносно малий нелінійний коефіцієнт можна компенсувати збільшенням довжини LBO. В даний час нелінійні кристали, які зазвичай використовуються для подвоєння ультрафіолетової частоти, це переважно кристали β−BaB₂O₄ (BBO) і CsLiB₆O₁0 (CLBO). Серед них кристал CLBO має відносно високий нелінійний коефіцієнт, малий кут-відходу та майже відсутність поглинання лазера в ультрафіолетовому діапазоні, що сприяє генеруванню високо-продуктивного ультрафіолетового випромінювання, включаючи такі варіанти, як 222 нм УФ-промені для продажу. Однак кристал CLBO не може досягти фазового узгодження на 457 нм (для генерації другої-гармоніки). Кристали RbBe₂BO₃F₂ (RBBF) і KBe₂BO₃F₂ (KBBF) також можуть генерувати 222-нм лазер за допомогою подвоєння частоти, але їхні ефективні нелінійні коефіцієнти малі, і їх технологія вирощування все ще потребує вдосконалення. Вони не створили комерційних продуктів, які не сприяють досягненню високо-ефективного ультрафіолетового лазерного випромінювання, на відміну від більш доступних варіантів, таких як УФ-світло 222 нм Amazon. У порівнянні з іншими кристалами, кристал BBO є чудовим нелінійним кристалом з великим ефективним нелінійним коефіцієнтом, високим порогом пошкодження та широким діапазоном довжин хвиль пропускання світла. Його оптичні характеристики дуже стабільні. Це комерційний кристал, який зараз найбільш широко використовується для генерації ультрафіолетових і глибоких ультрафіолетових лазерів, таких як світло 222 нм, і його ціна помірна. Тому в цій дослідницькій роботі BBO вибрано як четвертий-кристал генерації гармоній. Детальна теорія нелінійної оптики та конструкція параметрів кристалів-подвоєння частоти LBO та BBO будуть детально представлені в розділі 4.

На основі наведеного вище аналізу та вибору різних середовищ лазерного підсилення, методів накачування LD, резонансних порожнин, методів Q-перемикання та нелінійних характеристик кристала-подвоєння частоти, пропонується технічний маршрут цієї роботи: для реалізації імпульсної роботи використовуються технології LD-накачування Nd:YVO₄ та акусто{3}}оптична Q-технологія перемикання Лазер 914 нм. Лазерний резонансний резонатор AV-форми та кристал-подвоєння частоти LBO використовуються для генерації другої-гармоніки всередині резонатора для отримання лазерного випромінювання 457 нм. Потім кристал BBO та метод фокусування лінзи використовуються для подвоєння частоти синього світла з довжиною довжини 457 нм для отримання глибокого ультрафіолетового випромінювання лазера з довжиною 222 нм, що може надихнути на розвиток застосувань УФ-світла 222 нм.

Рисунок 1.15 Принципова схема базової структури твердотільного -лазера для реалізації лазера глибокого ультрафіолетового випромінювання 222 нм

(Зміст діаграми: Джерело насоса LD → Система з’єднання → M₁ → Nd:YVO₄ → Acousto-optic Q-перемикач → M₂ (LBO) → M → M₃ → BBO → M₄ → 222 нм; із позначеними лазерними шляхами 914 нм і 457 нм)

Розділ 1 Вступ

1.5 Основний зміст цієї книги

У цій книзі в основному представлено технологію твердотільного-лазера для генерації 222-нм глибокого ультрафіолетового лазера через четверту-гармонічну генерацію 914-нм спектральної лінії Nd:YVO₄ квазі-трьох-системи з високою ефективністю та компактною структурою, актуальною для ринків, що розвиваються, як 222 нм далекого ультрафіолетового світла для продажу. Книга складається з 6 розділів, а структура та основний зміст такі.

Розділ 1 Вступ

Він ознайомлює з передумовами досліджень і значенням лазерів глибокого ультрафіолетового діапазону 222 нм, історією розробки всіх-твердотільних-лазерів, а також зосереджується на основних технологіях впровадження та огляді розробки всіх-твердотільних-лазерів глибокого ультрафіолетового випромінювання. На основі цього пропонується технічний маршрут, прийнятий у цій книзі, і вказуються основні проблеми цієї схеми та напрямок дослідження цієї книги.

Розділ 2 Теорія та аналіз теплового ефекту лазера Nd:YVO₄ 914 нм

Починаючи з квазі--рівневого рівняння швидкості лазера в стаціонарному стані, представлено ефект реабсорбції лазерного кристала Nd:YVO₄, вплив співвідношення розмірів плями накачування до радіуса перетяжки коливального променя та довжини кристала на продуктивність лазерного випромінювання 914 нм. Починаючи з теорії теплопровідності, створено модель лазера Nd:YVO₄ із довжиною хвилі 914 нм із LD{4}}накачуванням. Коли розподіл світла накачки є Гаусовим, розв’язок отримують аналітичним методом. Співвідношення трьох факторів, а саме різниці показників заломлення температури, подвійного променезаломлення напруги та теплового розширення торцевої поверхні кристала, у створенні ефекту теплової лінзи всередині посилюючого середовища порівнюються, а її теплова фокусна відстань вимірюється експериментально методом плоско-паралельного резонансного резонатора.

Розділ 3 Acousto-Optic Q-Switching Technology and V-Shaed Resonant Cavity Design

Створено теоретичну модель рівняння швидкості акусто-оптичного Q-перемикання Nd:YVO₄ 914 нм і проаналізовано фактори, що впливають на ширину вихідного лазерного імпульсу. За допомогою чисельних розрахунків і моделювання вивчається взаємозв’язок між кількістю частинок на верхньому та нижньому енергетичних рівнях, тривалістю імпульсу та одиночною-енергією імпульсу 914-нм Nd:YVO₄ лазера з акусто-оптичною модуляцією добротності та потужністю накачування та частотою повторення. Для розробки параметрів резонансної порожнини пропонується технологія само-узгодженого керування з використанням теплового впливу на якість променя. Використовуючи стандартну теорію матриці пропускання ABCD та умови стабільності резонансної порожнини, аналізується та детально обговорюється зміна розміру коливальної плями в різних положеннях у три-дзеркальній складчастій порожнині лазера залежно від довжини під-порожнини.

Розділ 4 Нелінійна частота-Теорія подвоєння та частота-Конструкція подвоєння кристала

Починаючи з рівнянь Максвелла, механізм генерації нелінійних оптичних ефектів, а також умови фазового узгодження для подвоєння частоти кристалів типів I та II типів систематично аналізуються за допомогою моделі Лоренца, рівняння показника заломлення та теорії взаємодії між електромагнітними хвилями та матеріальними речовинами. У поєднанні з дисперсійним рівнянням і виразом ефективного нелінійного коефіцієнта, кути узгодження фази та ефективні нелінійні коефіцієнти кристалів подвоєння частоти-LBO/BBO, які використовуються для створення лазерів на 457 нм і 222 нм, обчислюються чисельно.

Технологія твердотільного-лазера глибокого ультрафіолету 222 нм

Розділ 5 Експеримент із глибоким ультрафіолетовим 222-нм твердотільним-лазером

На основі теоретичних досліджень і проектування параметрів у попередніх розділах проводиться експеримент з оптимізації 222-нм лазера. По-перше, враховуючи узгодження режиму, експеримент з оптимізації безперервного лазера 457 нм проводиться для отримання безперервного виходу лазера 457 нм із відносно високою потужністю та хорошою якістю променя. Потім, вибравши фокусувальну лінзу з відповідною фокусною відстанню, довжиною кристала BBO та положенням їх розміщення, виконується позарезонаторне сфокусоване подвоєння частоти 457-нм лазера для отримання 222-нм безперервного лазера. На основі безперервного лазера з довжиною довжини 457 нм у поєднанні з технологією акусто-оптичної Q-перемикання частота модуляції змінюється, щоб знайти імпульсний вихід лазера 457 нм із максимальною піковою потужністю. Потім він фокусується позапорожнистою лінзою, і 222-нм імпульсний лазер генерується шляхом подвоєння частоти кристалом BBO. Крім того, проводиться експериментальне дослідження інактивації бактерій імпульсним 222-нм лазером, яке узгоджується з практичним використанням дальнього УФ-світла 222 нм для продажу та 222-нм світла.