Перспективи за приложение на 222nm лазер в областта на производството на фотонни устройства 3

Перспективи за приложение на 222nm лазер в областта на производството на фотонни устройства 3
Електро-оптична Q-превключваща технология

Структурата на електро{0}}оптичен Q-лазер е показана на фигура 1.9. Електро-оптичният Q-превключвател използва електро-оптичен модулатор (електро-оптичен Q-превключвател), за да контролира загубата на кухина. Когато се приложи напрежение към електро-оптичния модулатор, електро-оптичният ефект (ефект на Покелс) модулира поляризационното състояние на светлината. Освен това поставянето на поляризатор или разделител на поляризационен лъч в резонансната кухина позволява контрол на загубата на лазерни трептения. По този начин електро-оптичното Q-превключване постига Q-превключване, задействано от електрически сигнал, като по този начин генерира лазерни импулси. За приложения, изискващи прецизен дълбок-UV изход, като напрПродавам 222 nm UVC светлина, тази технология осигурява стабилен контрол на импулса.

Фигура 1.9Структура на електро-оптичен Q-лазер (огледало, лазерен кристал, поляризатор, електро-оптичен Q-превключвател, изходно огледало).

Устройството, което модулира поляризационното състояние на светлината, използвайки ефекта на Pockels, се нарича клетка на Pockels. Структурата на клетка на Pockels е показана на Фигура 1.10. Клетка на Покелс, където посоката на електрическото поле е успоредна на посоката на лазерното трептене, се нарича надлъжно устройство; такова, при което електрическото поле е перпендикулярно на посоката на лазерното трептене, се нарича напречно устройство. В надлъжно устройство разстоянието между електродите е независимо от размера на прозрачния отвор и необходимото напрежение също не зависи от отвора, което го прави подходящо за производство на клетки на Покелс с голяма{3}}апертура. В напречно устройство разстоянието между електродите зависи от размера на отвора, така че не е подходящо за клетки на Покелс с голяма-апертура, но може да намали до известна степен напрежението в приложения с малка-апертура.

Фигура 1.10Клетъчна структура на Pockels(a) Надлъжно устройство (електро-оптичен материал, електрически сигнал) (б) Напречно устройство (електро-оптичен материал, електрически сигнал)

Дълбока ултравиолетова 222 nm твърдо{1}}лазерна технология

Напрежението, приложено към клетка на Покелс, което произвежда фазова разлика от π между изходната и входната светлина, се нарича напрежение на половин-вълна (λ/2 напрежение), което обикновено варира от стотици до хиляди волта. Напрежението, което произвежда фазова разлика π/2, се нарича четвърт-вълново напрежение (λ/4 напрежение). Прилагането на тези напрежения към клетка на Покелс дава ефекти, еквивалентни на съответните вълнови пластини. В електро-оптичен Q-превключвател, вмъкването на поляризиращ разделител на лъча и прилагането на напрежение от четвърт-вълна кара светлината да премине през клетката на Покелс два пъти в обиколка, завъртайки посоката на поляризацията на 90 градуса. След това поляризиращият разделител на лъча блокира разпространението на светлината, като по този начин променя загубата на кухина. Този принцип е критичен за генериране на импулси с висока-пикова-мощност задалечна UVC светлина 222 nm Amazonсъвместими системи за дезинфекция.

Многобройни кристали се използват за производството на електро-оптични Q-превключватели:

например,LiNbO3кристалите имат малки вариации в пиезоелектричните коефициенти и широк температурен диапазон на адаптация (-50 до 60 градуса), което ги прави често използвани във военни приложения.

KD₂PO₄ (KD*P)иKDPса често срещани в търговската мрежа кристали. Надлъжните устройства обикновено се използват за елиминиране на ефекта на отдалечаване. Пиезоелектричният коефициент на KDP е температурно-чувствителен, склонен към деполяризация поради термично индуцирано двойно пречупване, което може да бъде компенсирано с помощта на поляризационен ротатор и два електро-оптични кристала.

LGSа нелинейните кристали предлагат предимства като устойчивост на разпадане и широки ленти на предаване, показващи голям потенциал за производство на електро-оптични Q-превключватели в222nm светлинаизточници.

Периодично полярен литиев ниобат (PPLN)кристалите могат да функционират като еквивалентни Брег модулатори. Като Q-превключващи устройства, те се отличават с ниско напрежение (<200 V) and repetition rates up to 10 kHz, but their damage threshold needs improvement.

Понастоящем традиционните електро{0}}оптични кристали са ограничени до честоти на повторение обикновено под 10 kHz поради фактори като проводимост и електро{2}}оптични коефициенти. Нововъзникващите кристали като PPLN са незрели и не могат да поддържат продължителна-мощност. обачеRTP, BBO, иLGSможе да постигне високи скорости на повторение (от порядъка на 100 kHz): RTP има голям електро-оптичен коефициент и четвърт-вълново напрежение от само 1 kV; BBO има малък електро-оптичен коефициент и четвърт-вълново напрежение до 3 kV; LGS проявява значителна оптична активност, което усложнява производството.

Таблица 1.6Сравнение на производителността на няколко общи кристала за електро-оптични Q-превключващи устройства [99−100]

Acousto-Optic Q-Превключваща технология

Механизмът на акусто-оптичното Q-превключване включва ултразвукови вълни, разпространяващи се през акусто-оптична среда, за да отклонят лазерния лъч, като по този начин контролират загубата на кухина. Структурата на акусто{4}}оптичен лазер с Q-комутация е показана на фигура 1.11. В сравнение с електро-оптичното Q-превключване, то изисква само акусто-оптичен модулатор (акусто-оптичен Q-превключвател), за да се постигне импулсна модулация, което води до по-компактна структура, идеална за интегрирани222nm UVC светлинасистеми.

Фигура 1.11Структура на акусто-оптичен Q-лазер (огледало, лазерен кристал, акусто-оптичен Q-превключвател, изходно огледало).

Структурата и принципът на работа на типичен акусто{0}}оптичен модулатор са илюстрирани на фигура 1.12:

Кристалът е типиченстопен кварцилителуритно стъкло, с антирефлексни покрития на оптичните лица.

Електро-акустичният трансдюсер преобразува високо-честотен електрически сигнал в ултразвукови вълни, причинявайки периодични промени в индекса на пречупване на акусто-оптичната среда, образувайки еквивалентна обемна решетка.

Когато условието за дифракция на Брег е изпълнено, лазерът се дифрагира, което води до големи загуби в кухината и ниска стойност на Q-, което предотвратява трептенията на лазера. След премахване на акустичното поле, загубата на кухина намалява бързо, образувайки лазерен импулс. Периодичната модулация на стойността на Q- произвежда импулсен лазерен изход.

Фигура 1.12Структура и принцип на работа на типичен акусто{0}}оптичен модулатор(a) RF изключен (входящ лъч, преобразувател, абсорбатор, дифракционен лъч) (b) RF включен (входящ лъч, преобразувател, акустична вълна, абсорбатор, дифракционен лъч)

При акустично-оптично Q-превключване, еднократните-загуби в кухината са приблизително 50%, а двупосочните-загуби са около 75%. Ултразвуковите честоти достигат от порядъка на 100 MHz, като електро-акустичният преобразувател се управлява от радиочестотни сигнали с ниво на ват-. Големите модулатори изискват ~10 W RF мощност и водно охлаждане. Кристалите с високи еласто{13}}оптични коефициенти могат да намалят радиочестотната мощност, но имат по-ниски прагове на оптично увреждане от стопения кварц. Едната страна на кристала обикновено е снабдена с акустичен абсорбатор за поддържане на разпространението на-звука на пътуващата вълна. Ъгълът на отклонение на лъча при акусто{17}}оптично Q-превключване е приблизително 5 градуса, а максималната честота на повторение на лазера може да достигне MHz ниво-подходящо за висока-скоростПродавам 222 nm UVC светлинаприложения.

Технология за пасивно Q-превключване

Пасивното превключване на Q-използва насищащ абсорбер за контролиране на загубата на кухина, като оптичната пропускливост варира в зависимост от абсорбирания лазерен интензитет. Структурата на пасивен лазер с превключване на Q- е показана на Фигура 1.13, като изисква само наситен абсорбиращ кристал, което го прави най-простата конфигурация за компактендалечна UVC светлина 222 nm Amazonмодули.

Наситените абсорбери се разделят на трансмисивен тип (пропускливостта се увеличава с оптичната мощност) и отразяващ тип (отразителната способност се увеличава с оптичната мощност). Работният процес на типично трансмисионно устройство: първоначално пропускливостта е ниска, което води до голяма загуба на кухина; тъй като лазерното трептене се натрупва и оптичната мощност се увеличава, пропускливостта се повишава до насищане, намалявайки загубата на кухина и генерирайки лазерен импулс; след излъчване на импулс мощността в кухината намалява и пропускливостта също пада, завършвайки един Q-цикъл на превключване.

Фигура 1.13Пасивен лазер с превключване на Q- (огледало, лазерен кристал, насищащ абсорбиращ кристал, изходно огледало).

Общите насищащи се абсорбери включватCr4⁺:YAG, V³⁺: YAG, СЕСАМ, оловно сулфидно стъкло, графитни покрития и едностенни въглеродни нанотръби-; последните две обикновено се използват за пасивен режим-заключване.

Сравнение и избор на различни Q-методи за превключване

В обобщение, акусто{0}}оптичното Q-превключване е по-подходящо за лазери с ниска- до средна-мощност, включително тези, които произвеждат222nm светлиназа дезинфекция. Тази книга избира акустичен-оптичен Q-превключвател като Q-превключващо решение за лазерната система.

Нелинейни честотни-удвояващи кристали

Нелинейното оптично преобразуване на честота разчита на взаимодействието между светлина и материя, което води до нелинейни ефекти от втори-порядък, като генериране на втора хармоника (SHG), генериране на сумарна-честота (SFG), генериране на-различна честота (DFG) и оптична ректификация (OR). Сред тях SHG е най-често срещаното приложение: два фотона с дължина на вълната λ нелинейно се комбинират, за да произведат фотон с дължина на вълната λ/2-съществен за генериране на222nm UVC светлинаот 444 nm основи.

Ултравиолетови лазерни нелинейни честотни{0}}удвояващи кристали

Китай постигна значителен напредък в нелинейните ултравиолетови кристали. Следните са често използвани кристали:

LBO (LiB₃O₅, литиев триборат): Developed by the Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences. Transmission range: 160–2600 nm; easy to grow (>5 cm³ кристали са възможни); широк ъгъл на приемане, висока оптична хомогенност, ниско отклонение; фазово съвпадение, регулируемо по ъгъл или температура; висок праг на повреда, не-разслояващ се. Широко използван в лазери с висока-средна{5}}мощност за SHG, THG, четвърто хармонично поколение (FOHG), SFG и DFG.

BBO (-BaB₂O₄, бета-бариев борат): Разработено от Фуджианския институт за изследване на структурата на материята, Китайската академия на науките. Обхват на предаване: 190–2500 nm; висок праг на повреда, добра температурна стабилност, широка фазова-честотна лента, голямо двойно пречупване, ниска дисперсия; но малък ъгъл на приемане, голямо отклонение, леко разслояване (изисква защита на покритието). Индустриално широко използвани в ултравиолетови лазери за SHG, THG, FOHG, SFG и DFG, включително222nm светлинасистеми.

CBO (CsB₃O₅, цезиев триборат): Разработено от Фуджианския институт за изследване на структурата на материята, Китайската академия на науките. Обхват на предаване: 170–3000 nm; висок праг на повреда, голям нелинеен оптичен коефициент, малък ъгъл на отклонение. Потенциални приложения в лазерен THG.

CLBO (CsLiB₆O₁₀, цезиев литиев борат): Разработено от университета в Осака, Япония. Обхват на предаване: 180–2750 nm; лесни за отглеждане големи кристали с високо-качество, малко отклонение-, голям ъгъл на приемане, ниско двойно пречупване, ниски изисквания за качество на лъча на изпомпване; но силно разхлабващ (изисква запечатване или съхранение при висока-температура). Използва се предимно в експериментални изследвания.

BIBO (BiB₃O₆, бисмутов триборат): Моноклинен биаксиален кристал. Обхват на предаване: 270–2600 nm; висок ефективен нелинеен коефициент, висок праг на повреда, ниско отклонение, широка лента на предаване, не-отделяне. Обещаващ във видими и ултравиолетови области, но труден за отглеждане.

KBBF (KBe₂BO₃F₂, калиев флуороберилиев борат): Разработено от Фуджианския институт за изследване на структурата на материята, Китайската академия на науките. Дълбок-UV нелинеен кристал. Обхват на предаване: 155–3700 nm; умерено двойно пречупване, широк диапазон на-фазово съвпадение; може да постигне най-късата UV SHG дължина на вълната от 163,4 nm. Изключително обещаващ за UV/дълбоки-UV приложения, включителноПродавам 222 nm UVC светлина, но технологията за растеж се нуждае от подобрение.

KABO (K₂Al₂B₂O₇, калиев алуминиев борат): Разработено от Фуджианския институт за изследване на структурата на материята, Китайската академия на науките. Обхват на предаване: 180–3600 nm; двойно пречупване 0,074, малък ефективен нелинеен коефициент; ъгли на приемане и излизане по-добри от BBO, но по-ниски от CLBO.

RBBF (RbBe₂BO₃F₂, рубидий флуороберилиев борат): Докладвано от Фуджианския институт за изследване на структурата на материята, Китайската академия на науките. Обхват на предаване: 160–3550 nm; преодолява трудностите при растежа на KBBF и склонността към напукване, дава големи кристали, устойчиви на разслояване-, химически стабилни; дълбоко-UV нелинейно представяне малко по-ниско от KBBF.

В допълнение, нови кристали катоYCOB, GdCOB, ReCOB, иLB4са в процес на изследване, но не се прилагат широко поради проблеми с технологията на растеж и прага на щетите.

Избор на нелинейни честотни-удвояващи кристали

За отрицателни едноосни нелинейни кристали, методите за{0}}фазово съвпадение включват основно фазово съвпадение по ъгъл и температурно фазово съвпадение:

Ъглово фазово съгласуване: Постига се чрез избиране на посоката на разпространение на светлината (комбиниране на поляризация и ъгъл на изрязване на кристала). Разделен на тип I (o+o→e) и тип II (o+e→e). Склонност към лъч-изключване; ако падащата светлина е перпендикулярна на оптичната ос на кристала (θ=90 градуса), walk-off може да бъде елиминиран.

Температурно фазово съвпадение: Използва температурната чувствителност на кристално двойно пречупване и дисперсия за постигане на фазово съвпадение при θ=90 степен.

Израз на ефективност на преобразуване (без ходене-изключване, плоска вълна, приближение на малък-сигнал): η=P3P1=ϵ0cn1n2n3λ32A8π2deff2L2P2A⋅sinc⁡2[∣Δk∣L2]\\eta=\\frac{P_3}{P_1}=\\frac{\\epsilon_0 c n_1 n_2 n_3 \\lambda_3^2 A}{8\\pi^2} d_{\\text{eff}}^2 L^2 \\frac{P_2}{A} \\cdot \\operatorname{sinc}^2\\left[\\frac{|\\Delta k| L}{2}\\right]η=P1​P3​​=8π2ϵ0​cn1​n2​n3​λ32​A​deff2​L2AP2​​⋅sinc2[2∣Δk∣L​] където deffd_{\\text{eff}}deff​ е ефективният нелинеен коефициент, n1,n2n_1, n_2n1​,n2​ са индекси на пречупване на фундаменталната светлина, n3n_3n3​ е индексът на пречупване на светлината със сумарна-честота, LLL е оптичната дължина на пътя в кристала, Δk\\Delta kΔk е фазовото несъответствие и P2/AP_2/AP2​/A е основната плътност на мощността на светлината.

За да подобрите ефективността на преобразуване, изберете кристали с висок deffd_{\\text{eff}}deff​ под Δk=0\\Delta k=0Δk=0 (фазово съвпадение), увеличете по подходящ начин основната плътност на мощността на светлината и удължете дължината на кристала-което е критично за ефективна222nm UVC светлинагенериране в практически системи.