Перспективи за приложение на 222nm лазер в областта на производството на фотонни устройства 4
Плътност на мощността и избор на кристали с подходящи дължини
Когато избирате нелинейни кристали за{0}}удвояване на честотата, в допълнение към разглеждането на гореспоменатите влияещи фактори, като цяло трябва да бъдат изпълнени и следните изисквания:
① Умерена стойност на двойно пречупване (когато се приеме фазово съвпадение на ъгъла, трябва да има ъгъл на фазово съвпадение);
② Най-малкият възможен ъгъл на отклонение-;
③ Възможно най-голяма честотна лента на температура, ъгъл и спектрално приемане;
④ Широк прозрачен диапазон на дължина на вълната, който не влияе върху ефективността на нелинейното преобразуване (особено за ултравиолетовата лента);
⑤ Относително висок праг на повреда;
⑥ Лесен за отглеждане и ниски разходи за подготовка;
⑦ Отлични физични и химични свойства и механична стабилност.
Това проучване използва основно нелинейни кристали за{0}}удвояване на честотата за генериране на втория хармоник, включително приложения, при които ултравиолетовата светлина от 222 nm за продажба би могла да се възползва от такъв напредък. В процеса на удвояване на честотата с нелинейни кристали за-удвояване на честотата, за да се подобри ефективността на-удвояване на честотата, предпоставка е светлината с основна честота и светлината с-удвояване на честотата да отговарят на условието за фазово съвпадение. Има два метода за постигане на фазово съвпадение: критично (ъгъл) и не-критично (температура) фазово съвпадение. Обикновено температурното фазово съвпадение може да постигне по-висока ефективност-удвояване на честотата и по-добро качество на лъча, но изисква кутия за контрол на температурата, което води до сложна структура, голям обем и висока цена. Следователно в това изследване се използват нелинейни кристали с фазово съвпадение на ъгъла. Характеристиките на кристалите с нелинейно{12}}удвояване на честотата, използвани за генериране на 457nm синя светлина и 222nm дълбока ултравиолетова светлина, като например 222nm светлина, са обобщени в таблица 1.7.
Таблица 1.7 Характеристики на кристали с нелинейно удвояване на честотата-, способни да генерират 457nm и 222nm лазери
| Кристал | Параметър на производителността | БиБО | LBO | BBO | KBBF | RBBF |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Нелинеен коефициент | 457 nm | 3.44 | 0.803 | 2.01 | 0.436 | 0.412 |
| 222 nm | - | - | 1.38 | 0.387 | 0.344 | |
| Ъгъл на приемане | 457 nm | 1.13 | 4.56 | 0.89 | 1.43 | 1.54 |
| 222 nm | - | - | 0.36 | 0.47 | 0.52 | |
| Ъгъл-на разстояние /mrad | 457 nm | 44.99 | 12.48 | 61.76 | 43.36 | 40.04 |
| 222 nm | - | - | 75.68 | 66.05 | 58.72 | |
| Ъгъл на съвпадение на фазите/(°) | 457 nm | 159.6(θ) 90.0(φ) | 90.0(θ) 21.7(φ) | 25,8 (θ) | 22,0 (θ) | 23,7 (θ) |
| 222 nm | - | - | 61,4 (θ) | 43,9 (θ) | 48,1 (θ) | |
| Хигроскопичност | Труден за хигроскоп | Леко хигроскопичен | Леко хигроскопичен | Не-хигроскопичен | Не-хигроскопичен | |
| Ширина на честотната лента на предаване/nm | 286~2500 | 160~2600 | 185~2600 | 147~3500 | 165~3500 |
Литиевият тетраборат LiB₃O₅ (LBO) и бисмутовият борат BiB₃O₅ (BiBO) са два търговски нелинейни честотно-удвояващи кристала, които могат да реализират честотно удвояване в близката-инфрачервена лента, за да генерират синя светлина, потенциално поддържащи продукти като далечна UVC светлина 222 nm amazon. Във второто -генериране на хармоници (SHG) на 914nm лазер, въпреки че BiBO има голям нелинеен коефициент от 3,44pm/V, неговият голям-ъгъл на отклонение от 44,99mrad води до лошо качество на лъча на полученото светлинно петно, като по този начин намалява-ефективността на удвояване на честотата. Следователно кристалът BiBO не се използва в този експеримент.
Дълбока ултравиолетова 222nm твърдо{1}}лазерна технология
LBO е избран като втори-кристал за генериране на хармоници в това изследване, тъй като има малък ъгъл на отклонение-от 12,48mrad, което го прави идеален за генериране на 222nm uvc светлина. Въпреки че LBO има малък нелинеен коефициент от 0,803pm/V, относително малкият нелинеен коефициент може да бъде компенсиран чрез удължаване на дължината на LBO. Понастоящем често използваните нелинейни кристали за удвояване на ултравиолетовата честота са главно кристали β−BaB₂O₄ (BBO) и CsLiB₆O₁0 (CLBO). Сред тях кристалът CLBO има сравнително висок нелинеен коефициент, малък ъгъл на отклонение-и почти никакво поглъщане на лазер в ултравиолетовата лента, което е благоприятно за генериране на ултравиолетова светлина с висока-производителност, включително варианти като 222 nm далечна UVC светлина за продажба. Кристалът CLBO обаче не може да постигне фазово съвпадение при 457 n (за второ-генериране на хармоници). Кристалите RbBe₂BO₃F₂ (RBBF) и KBe₂BO₃F₂ (KBBF) също могат да генерират 222nm лазер чрез удвояване на честотата, но техните ефективни нелинейни коефициенти са малки и тяхната технология за растеж все още трябва да бъде подобрена. Те не са създали комерсиални продукти, което не е благоприятно за постигане на високо-ефективно ултравиолетово лазерно излъчване, за разлика от по-достъпните опции като далечна uvc светлина 222 nm amazon. В сравнение с други кристали, кристалът BBO е отличен нелинеен кристал с голям ефективен нелинеен коефициент, висок праг на повреда и широк диапазон на дължина на вълната на предаване на светлина. Оптичните му характеристики са много стабилни. Това е търговски кристал, който се използва най-широко за генериране на ултравиолетови и дълбоки ултравиолетови лазери в момента, като 222nm светлина, и цената му е умерена. Следователно в тази изследователска работа BBO е избран като четвърти-кристал за генериране на хармоници. Подробната теория на нелинейната оптика и дизайнът на параметрите на LBO и BBO честотно-кристалите ще бъдат представени подробно в глава 4.
Въз основа на горния анализ и избор на различни среди за лазерно усилване, LD методи за изпомпване, резонансни кухини, Q-методи за превключване и нелинейни честотни-удвояващи кристални характеристики, се предлага техническият път на тази работа: LD край-изпомпван Nd:YVO₄ и акустична-оптична Q-превключваща технология се използват за реализиране на импулсна работа на 914nm лазер. AV-формирана лазерна резонансна кухина и LBO честотен-удвояващ кристал се използват за генериране на втора-хармонична вътрекухина за получаване на 457nm лазерен изход. След това методът за фокусиране на BBO кристал и леща се използва за удвояване на честотата на извънкухината на 457nm синя светлина, за да се реализира дълбок ултравиолетов 222nm лазерен изход, който може да вдъхнови разработките в приложенията на 222nm uvc светлина.
Фигура 1.15 Схематична диаграма на основната структура на твърд{1}}лазер за реализиране на дълбок ултравиолетов 222nm лазер
(Съдържание на диаграмата: LD източник на помпа → Система за свързване → M₁ → Nd:YVO₄ → Acousto-оптичен Q-превключвател → M₂ (LBO) → M → M₃ → BBO → M₄ → 222nm; с 914nm и 457nm лазерни пътища, маркирани)
Глава 1 Въведение
1.5 Основно съдържание на тази книга
Тази книга представя главно лазерната-технология в твърдо състояние за генериране на 222nm дълбок ултравиолетов лазер чрез четвърто-хармонично генериране на 914nm спектрална линия на Nd:YVO₄ квази-три-система с висока ефективност и компактна структура, подходяща за развиващите се пазари като 222 nm далечна UVC светлина за продажба. Книгата се състои от 6 глави, като структурата и основното съдържание са както следва.
Глава 1 Въведение
Той въвежда изследователския фон и значението на дълбоките ултравиолетови 222nm лентови лазери, историята на развитието на всички-твърдотелни-лазери и се фокусира върху основните технологии за внедряване и преглед на развитието на всички-твърдотелни-дълбокови ултравиолетови лазери. Въз основа на това е предложен техническият маршрут, възприет в тази книга, и са посочени основните проблеми на тази схема и изследователската посока на тази книга.
Глава 2 Теория и анализ на топлинния ефект на Nd:YVO₄ 914nm лазер
Започвайки от уравнението за квази-три-лазерна скорост в стационарно състояние, се въвеждат ефектът на реабсорбция на лазерния кристал Nd:YVO₄, влиянието на съотношението на размера на петното на изпомпване към радиуса на талията на осцилиращия лъч и дължината на кристала върху изходната производителност на лазера 914nm. Започвайки от теорията за топлопроводимост, е създаден модел на LD край-изпомпван 914nm Nd:YVO₄ лазер. Когато разпределението на светлината на помпата е гаусово, решението се получава чрез аналитичен метод. Сравняват се пропорциите на трите фактора, а именно разликата в индекса на пречупване на температурата, двойното пречупване на напрежението и термичното разширение на крайната страна на кристала, при генерирането на ефекта на термичната леща вътре в усилващата среда и нейното топлинно фокусно разстояние се измерва експериментално чрез метода на плоско-паралелната резонансна кухина.
Глава 3 Acousto-Optic Q-Switching Technology и V--образна резонансна кухина
Създаден е теоретичен модел на уравнението на скоростта на акусто-оптичното Q-превключване на 914nm Nd:YVO₄ и са анализирани факторите, влияещи върху ширината на изходния лазерен импулс. Чрез числено изчисление и симулация се изследва връзката между броя на частиците в горните и долните енергийни нива, ширината на импулса и енергията на единичния-импулс на акусто-оптичния Q-комутиран 914nm Nd:YVO₄ лазер и мощността на помпата и честотата на повторение. Предлага се само-технология за самосъгласувано управление, използваща топлинни ефекти върху качеството на лъча, за проектиране на параметри на резонансната кухина. С помощта на стандартната теория на предавателната матрица ABCD и условията за стабилност на резонансната кухина, вариацията на размера на осцилиращото петно в различни позиции в три-огледално сгънатата кухина на лазера с дължината на под-раменната кухина се анализира и обсъжда подробно.
Глава 4 Нелинейна честота-Теория за удвояване и честота-Дизайн на удвояващ кристал
Започвайки от уравненията на Максуел, механизмът на генериране на нелинейни оптични ефекти, както и условията за съвпадение на фазите за удвояване на кристалната честота от тип I и тип II, са систематично анализирани чрез модела на Лоренц, уравнението на индекса на пречупване и теорията на взаимодействието между електромагнитни вълни и материални вещества. В комбинация с уравнението на дисперсията и израза на ефективния нелинеен коефициент, ъглите на съвпадение на фазите и ефективните нелинейни коефициенти на LBO/BBO честотни-кристали, използвани за генериране на 457nm и 222nm лазери, се изчисляват числено.
Дълбока ултравиолетова 222nm твърдо{1}}лазерна технология
Глава 5 Експеримент с дълбок ултравиолетов 222nm твърдотелен-лазер
Въз основа на теоретичните изследвания и дизайна на параметрите в предишните глави се провежда експериментът за оптимизиране на 222nm лазера. Първо, като се има предвид съвпадението на режима, експериментът за оптимизиране на 457nm непрекъснат лазер се провежда, за да се получи 457nm непрекъснат лазерен изход с относително висока мощност и добро качество на лъча. След това, чрез избиране на фокусираща леща с подходящо фокусно разстояние, дължината на BBO кристала и позициите им на поставяне, се извършва удвояване на фокусирана извън кухина честота на 457nm лазер, за да се получи 222nm непрекъснат лазер. Въз основа на непрекъснатия 457nm лазер, комбиниран с акусто-оптична Q-технология за превключване, честотата на модулация се променя, за да се намери 457nm импулсен лазерен изход с максимална пикова мощност. След това се фокусира от екстракавитна леща и 222nm импулсен лазер се генерира чрез удвояване на честотата от BBO кристала. Освен това е проведено експериментално проучване за инактивирането на бактерии чрез импулсен 222nm лазер, което е в съответствие с практическите употреби на 222nm далечна uvc светлина за продажба и 222nm светлина.
