Перспективи за приложение на 222nm лазер в областта на производството на фотонни устройства 2

Перспективи за приложение на 222nm лазер в областта на производството на фотонни устройства 2

1.4 Избор на технически път за 222nm лазер

Този раздел се фокусира върху изследването на компактно изцяло-твърдо-състояние222 nm UV светлинаизточник. Въз основа на прегледа на литературата по-горе на LD{1}}изпомпвани дълбоко ултравиолетови (DUV) твърдотелни-лазери, характеристиките на различни Nd³⁺-легирани квази{5}}три-системни усилващи среди, методи на LD изпомпване, резонансни кухини, Q-методи за превключване и нелинейно-удвояване на честотата кристалите ще бъдат анализирани и избрани, за да се формулира технически път за постигане222nm UVизход.

1.4.1 Лазерен кристал

1. Характеристики на различни видове лазерни усилващи среди

1) Средно усилване във формата на прът-

Твърдо{0}}лазерите, използващи пръчковидни-кристали като усилваща среда, предлагат предимства като проста и компактна структура, ниско тегло, добро качество на лъча, висока ефективност и ниска цена. Към днешна дата усилващите носители с форма на прът- са били широко използвани в твърдотелни-лазери с ниска{4}}до-средна мощност, включително приложения за насочванедалечна UVC лампа 222 nmтехнология. Диаметърът на усилващата среда с форма на прът- обикновено е няколко милиметра, а дължината обикновено варира от няколко милиметра до няколкостотин милиметра. Обикновено методите за изпомпване на твърдотелни -лазери с прътообразна -усилваща среда се класифицират въз основа на връзката между посоката на падане на светлината на изпомпване и посоката на разпространение на осцилиращата светлина, а именнонадлъжно изпомпванеинапречно изпомпване. Техните структури са показани на фигура 1.1 (a) и (b). Надлъжното изпомпване се отнася до сценария, при който и светлината на помпата, и осцилиращият лазер се разпространяват в една и съща надлъжна посока. Напречното изпомпване означава, че светлината на помпата пада от страната на лазерната среда, докато осцилиращият лазер осцилира в надлъжна посока. (Фигура 1.1 Схематични диаграми на пръчковидни лазерни структури с надлъжно и напречно изпомпване, включително (а) надлъжно изпомпване и (б) напречно изпомпване структури)

По време на работа на лазера част от светлинната енергия на помпата не се преобразува ефективно в лазерен изход, а съществува като топлина вътре в лазерния кристал. Пръчковидни лазерни кристали разсейват топлината главно през страните си, което причинява радиален температурен градиент в кристала. Този градиент води до промени в градиента на индекса на пречупване и термична деформация на крайните повърхности на кристала, което в крайна сметка води до ефект на термична леща, термично индуцирано двойно пречупване и термично индуцирана загуба при дифракция. Тези проблеми ограничават инжектирането на висока мощност на помпата и влошават качеството на лъча и стабилността на мощността на изходния лазер, особено в компактен222 nm UV светлинасистеми. През последните години, въпреки значителния напредък в технологията на източника на LD помпа [88], както и подобренията в технологията за разсейване на топлината и качеството на свързаните лазерни кристали [89–90], изходната производителност на пръчковидни лазери е значително подобрена. Въпреки това прът-формените лазери все още страдат от неизбежния неблагоприятен ефект на термичните лещи. Следователно усилващите среди с форма на прът- обикновено са подходящи за лазери с ниска-до-средна мощност.

2) Средно усилване на тънък-диск

Както е показано на Фигура 1.2, усилващата среда за тънък-диск е произведена в много тънка дискова структура по дължината на лазерната осцилация с дебелина, която обикновено варира от 100 до 300 μm и диаметър от 10 до 20 mm. Пълните отразяващи филми както за светлината на помпата, така и за осцилиращата светлина са покрити върху едната крайна повърхност на тънката-дискова среда, която след това се фиксира в пълен контакт с радиатор и се охлажда от циркулираща вода. (Фигура 1.2 Схематична диаграма на лазерна структура с тънък-диск)

Тази структура осигурява голяма контактна площ между крайната повърхност на средата и радиатора, улеснявайки бързото и достатъчно разсейване на топлината, абсорбирана от усилващата среда през тази голяма контактна площ. Посоката на температурния градиент на лазерния кристал в тази структура е в съответствие с посоката на разпространение на осцилиращата светлина в кухината. Теоретично този температурен градиент е малък и не влияе върху ефективността на лазерния изход или качеството на лъча. В сравнение с прът-кристалните лазери, тънките-дискови лазерни кристали имат по-голяма площ на разсейване на топлината и обем на изпомпвана светлина, което води до по-висока ефективност на разсейване на топлината и пригодност за помпена светлина с висока-мощност. Поради изключително малката дебелина на лазерните кристали с тънък-диск, рефлекторът за светлината на помпата обикновено е проектиран в параболична структура, за да позволи на светлината на помпата да премине през кристала на тънкия-диск многократно, като по този начин се подобрява ефективността на използване на светлината на помпата. Сред тънките -дискови среди за усилване, Yb:YAG кристалите имат предимства като малък квантов дефект, проста структура на енергийното ниво и никакви паразитни ефекти (напр. абсорбция на възбудено-състояние (ESA), преобразуване нагоре (ETU) и кръстосана-релаксация) [91]. По този начин медиите за усилване на тънки-дискове, базирани на този материал, са обстойно проучени през последните години и показват значителен потенциал за високо{18}}мощен лазерен изход, макар и по-рядко за специализирани222nm крушкадизайни. TRUMPF GmbH (Германия) разработи Yb:YAG тънък-дисков лазер с много-дискова средна структура на усилване, постигаща изходна мощност на ниво киловат.

3) Средно усилване на плочата

Подобно на лазерите с тънък-диск, лазерите на плочи също са разработени за справяне с топлинните ефекти, срещани при генерирането на лазери с висока{1}}мощност. Тяхната структура обаче се различава значително от тази на тънките-дискови усилващи среди: дебелината на плочата усилваща среда е намалена в посока, перпендикулярна на осцилиращата светлина, обикновено до няколко милиметра. През 1972 г. WS Martin et al. [92] предлага типичния Zig-Zig лазер за плочи, чиято структура е показана на Фигура 1.3. Той приема метод на странично изпомпване, при който посоката на температурния градиент в усилващата среда е същата като посоката на разпространение на светлината на помпата (т.е. перпендикулярна на голямата повърхност на кристала). За разрешаване на ефекта на термичната леща, увеличаване на пропускливостта на осцилиращата светлина и намаляване на загубата на отражение на осцилиращата светлина върху светло{15}}пропускащата повърхност на плочата, светло{16}}пропускащата повърхност на усилващата среда обикновено се отрязва под ъгъла на Брустър. Това позволява на осцилиращия лазер да се разпространява чрез множество пълни отражения върху големите повърхности на усилващата среда, като по този начин компенсира топлинните ефекти на лазерния кристал в посоката на светлината на помпата. Структурата на плочата играе важна роля в областта на лазерите със средна-до-висока мощност. (Фигура 1.3 Схематична диаграма на лазерна структура на плоча)

4) Среда за усилване на влакната

Влакнестите лазери са разработени на базата на усилватели с влакна, като се използват стъклени влакна с-редкоземни-примеси като усилваща среда. Благодарение на голямото съотношение на повърхността-към-обема на медиите за усилване на влакната, влакнестите лазери имат присъщи предимства в ефективността на разсейване на топлината и обещаващи перспективи за приложение в областта на високо-мощните лазери. В сравнение с традиционните моно-модови влакнести структури, двойно-облицованите влакна имат допълнителна вътрешна обвивка, състояща се от четири части: сърцевина, вътрешна обвивка, външна обвивка и защитен слой. Фигура 1.4 показва неговата типична структурна схема. Сърцевината служи като среда за лазерно трептене и може да се получи един-режимен или много-модов лазерен изход в зависимост от размера на сърцевината. (Фигура 1.4 Схематична диаграма на структура на оптичен лазер)

Обикновено неправилни структури (напр. елипсовидни, с D-форма, квадрат и форма на сливов цвят-) се използват за свързване на лампата на помпата към вътрешната облицовка, без изисквания към режима на въвеждане на светлината на помпата. Светлината на помпата се разпространява напред-назад между вътрешната и външната обвивка и се абсорбира от ядрото след множество преминавания. Най-външният слой е защитният слой на влакното. Сред редкоземните йони като Nd³⁺, Er³⁺, Yb³⁺ и Tm³⁺, Yb³⁺-легираните двойно-влакна имат много предимства (напр. изключително ниско топлинно натоварване, малък квантов дефект и широк диапазон на изходна дължина на вълната (975–1180 nm) [93–94]), което ги прави най-широко изучаваните влакнести лазери в момента.

5) Сравнение на характеристиките на различни среди за лазерно усилване

Въпреки че тънките-дискове, плочи и носители за усилване на влакна са благоприятни за висока-мощност на лазерен изход, лазерите с тънки-дискове или носители за усилване на плочи имат относително сложни структури, големи обеми и високи разходи. По същия начин влакната са дълги и структурата на Nd³⁺-легирани квази-три-системни пръчковидни-влакна за лентата от 0,9 μm е сложна, обемиста и скъпа. Като се има предвид целта на това проучване-да се разработи компактендалечна UVC лампа 222 nmсистема-усилващите среди с Nd³⁺-легирана пръчка- са предпочитани като лазерен кристал.

2. Nd³⁺-допирана квази-три-нивова среда за усилване на системата

Nd:YVO₄ и Nd:GdVO₄ лазерни кристали имат основна дължина на вълната на излъчване от 0,91 μm в техните квази{1}}три-системи. Като важна печалба медии за генериране222nm UVчрез четворно удвояване на честотата, те показват отлични физически и оптични свойства. Допираният с неодим-итриев ванадат (Nd:YVO₄) кристал има тетрагонална структура и принадлежи към едноосната кристална система. Неговото двойно пречупване Δn варира от 0,2225 до 0,254, а неговият прозрачен диапазон на дължина на вълната е 0,45–4,8 μm. С твърдост, близка до тази на стъклото, не се разтопява лесно и лесно се обработва и покрива. По този начин той е един от най-често използваните лазерни кристали в момента. Таблица 1.4 изброява физичните свойства на кристала Nd:YVO₄. Напречното{12}}емисионно сечение на Nd:YVO₄ при 0,914 μm (σ₉₁₄ₙₘ) е приблизително 19,5×10⁻²⁰ cm². Близо до лентата от 808 nm кристалът Nd:YVO₄ има широка лента на поглъщане (около 21 nm). Ефективността на поглъщане на кристала Nd:YVO₄ за светлина на изпомпване е свързана с посоката на поляризация между светлината на изпомпване и изходния лазер, с най-висока ефективност на поглъщане, когато двете посоки са еднакви. За кристали с изрязана ос -, векторът E- на лазера е успореден на посоката на поляризация π- на оптичната ос на кристала и перпендикулярен на посоката на поляризация σ- на оптичната ос. Въпреки това, в сравнение с σ-поляризацията, кристалът показва по-силно поглъщане на светлината на помпата и по-силно излъчване в посоката на π-поляризация. Междувременно ефективността на удвояване на честотата на поляризираната светлина е относително по-висока по време на удвояване на честотата. Следователно най-често се използват кристали Nd:YVO₄ с -осево нарязване с π-поляризация.

Таблица 1.4 Физични свойства на Nd:YVO₄ кристал

Структурата на енергийното ниво на кристала Nd:YVO₄ е показана на фигура 1.5. Кристалът Nd:YVO₄ има високи нива на поглъщане на светлина близо до лентите 808 nm и 879 nm. Частиците в нивото на земната енергия абсорбират светлината на помпата и преминават към енергийното ниво 4F₅/₂. Животът на частиците в енергийното ниво 4F₅/₂ обаче е много кратък (приблизително 10⁻¹⁰ s) и те бързо преминават към метастабилното енергийно ниво ⁴F₃/₂ чрез не-радиационна релаксация. (Фигура 1.5 Схематична диаграма на структурата на енергийното ниво на кристал Nd:YVO₄)

Животът на частиците в метастабилното енергийно ниво 4F3/₂ е сравнително дълъг (приблизително 10⁻⁴ s), което осигурява условието за инверсия на населението. Кристалът Nd:YVO₄ има четири основни преходни енергийни нива: 4F3/₂→⁴I₁₁/₂, 4F3/₂→⁴I₁₃/₂, 4F3/₂→⁴I₁₅/₂ и 4F3/₂→4I₉/₂, съответстващи на емисионни дължини на вълната съответно 1064 nm, 1342 nm, 1839 nm и 914 nm. При стайна температура спектралната линия от 1064 nm има най-голямото напречно-емисионно сечение и най-висок коефициент на усилване, следвана от спектралната линия от 1342 nm, докато спектралните линии от 1839 nm и 914 nm имат най-малък. Сред горните четири прехода на енергийни нива, преходът 4F3/₂→⁴I₉/₂ принадлежи към квази-системата от три-нива на кристала Nd:YVO₄. Под въздействието на полето на решетката на приемника, всяко енергийно ниво на Nd³⁺ йони претърпява разделяне на Старк. Енергийното ниво на лазера 4F3/₂ се разделя на две под-нива (R₁ и R₂), които са много близо едно до друго. Популациите на частиците на под-нивата R1 и R2 следват закона за разпределение на Болцман, като представляват съответно 55% и 45% от общия брой частици в енергийното ниво 4F3/₂. Нивото на по-ниската лазерна енергия ⁴I₉/₂ също претърпява разделяне на Старк, образувайки 5 под-нива (Z₁~Z5), а популацията на частиците във всяко под-ниво също следва закона за разпределение на Болцман. Спектралната линия от 914 nm се генерира от прехода на частици от R1 под-ниво на 4F3/₂ към Z5 под-ниво на 4I₉/₂. Съгласно разпределението на Болцман популацията на частиците в долното лазерно под-ниво Z₅ представлява 5% от общия брой частици в енергийното ниво ⁴I₉/₂. Тези частици в долното под-ниво причиняват реабсорбция на 914 nm лазера, генериран от прехода на енергийното ниво на лазера ⁴F3/₂→⁴I₉/₂, което сериозно засяга праговата мощност и ефективността на изходния наклон на лазера. Следователно са необходими-задълбочени изследвания, за да се потисне ефективно влиянието на реабсорбцията в квази-три-системата и да се подобри изходната производителност на квази-три-системата с лазери за насочване222 nm UV светлина.

GdVO₄ и YVO₄ са кристални материали с една и съща структура. Преходът на енергийното ниво 4F3/₂→4I₉/₂ на квази{1}}три{2}}степенната система на кристала Nd:GdVO₄ генерира 912 nm лазер. Таблица 1.5 сравнява ключовите параметри на ефективността на кристалите Nd:YVO₄ и Nd:GdVO₄ в техните квази{6}}системи от три-нива, включително основна дължина на вълната, честота-удвоена дължина на вълната, напречно-сечение на стимулирано излъчване, живот на горно-ниво, абсорбция напречно-сечение, честотна лента на поглъщане и топлопроводимост.

Таблица 1.5 Сравнение на параметрите на ефективността на кристали Nd:YVO₄ и Nd:GdVO₄ в квази-три-системи

Чрез горното сравнение на физически и оптични свойства кристалите Nd:YVO₄ и Nd:GdVO₄ всеки има свои собствени характеристики като кандидат-усилваща среда. В сравнение с Nd:GdVO₄, кристалът Nd:YVO₄ има по-широка честотна лента на поглъщане близо до лентата от 808 nm, което намалява изискванията за източници на помпа и технология за контрол на температурата и позволява относително облекчени външни работни условия на лазера. Освен това има малко по-дълъг живот на горното{3}}ниво (подходящ за импулсни лазери) и предимства в цената. Следователно кристалът Nd:YVO₄ е избран като среда за лазерно усилване в това изследване за постигане на ефективен222nm крушкапрототипи.

1.4.2 Метод на изпомпване

В LD{0}}изпомпваните твърдотелни-лазери има множество методи за свързване на излъчваната светлина от LD в лазерната усилваща среда. Обикновено тези методи се класифицират в два типа въз основа на връзката между посоките на разпространение на светлината на помпата и осцилиращия лазер:крайно изпомпване (надлъжно)истранично изпомпване (напречно)(виж Фигура 1.1). Структурните характеристики на тези два метода на изпомпване са анализирани и сравнени по-долу.

1. Край на изпомпването

LD end-изпомпвани ниско{1}}до-средномощни твърдотелни-лазери имат предимствата на проста и компактна структура, добро качество на лъча и висока ефективност, което ги прави най-широко използваните лазери, особено в222nm UVнастройки на поколението. Те се състоят основно от три части: източник на LD помпа, система за оптично свързване и твърдотелен -лазер, чиято структура е показана на фигура 1.1 (a). Лазерът, излъчван от LD, се предава за изпомпване по посока на осцилиращата светлина в кухината и лъчът се фокусира в усилващата среда. Чрез оптимизиране на параметрите на резонансната кухина може да се постигне подходящо съотношение на размера на петна между светлината на помпата и осцилиращата светлина (т.е. съвпадение на режима). Това съотношение има значително влияние върху ефективността на изпомпване на светлината на помпата и изходната производителност на лазера. В допълнение, светлината на помпата се разпространява на голямо разстояние в лазерния кристал и се абсорбира напълно от кристала, което води до ниска прагова мощност на помпата и висока ефективност на наклона на лазера с този метод на помпане. Поради това технологията за крайно{10}}изпомпване на LD се използва широко в ниско{11}}до-средномощни твърдотелни-лазери с високо качество на лъча и висока ефективност на преобразуване. Има два основни типа крайни{15}}технологии за изпомпване:

Излъчената светлина от лазерния диод се инжектира директно в лазерния кристал чрез оптична система за свързване. Чрез оптимизиране на конструкцията на резонансната кухина и параметрите на системата за свързване може да се постигне оптималното припокриване между лъча на помпата и осцилиращия лъч.

Изходната светлина на LD първо се свързва към оптично влакно и след това се инжектира в лазерната усилваща среда през изхода на влакното. Този метод не само изолира твърдотелния -лазер от лазерния диод, за да намали взаимното влияние на термичните ефекти, но също така позволява на влакното да оформя изходната светлина на LD, което е благоприятно за постигане на съвпадение на режима.

2. Странично изпомпване

Въпреки че крайната-изпомпваща структура има предимствата на висока ефективност и добро качество на лъча, тя не може да инжектира висока мощност на изпомпване поради ограниченията на малката изпомпваща площ на лазерния кристал и неблагоприятния ефект от термичните лещи. С увеличаването на изходната мощност на LD и подобренията в технологията за разсейване на топлината, изследователите са оптимизирали параметрите на лазерните кристали, използвайки множество LD решетки, базирани на структурата на изпомпвани от лампа-лазери, инжектиращи светлинната енергия на помпата в кристала от повърхността на цилиндъра или кубоида. Този метод на изпомпване увеличава площта на инжектиране на светлината на помпата и повърхността на разсейване на топлината на лазерния кристал, като по този начин значително подобрява както мощността на инжектиране, така и изходната мощност. В допълнение, увеличеният размер на усилващата среда също допринася за известно увеличение на изходната мощност на лазера. Структурата на страничното изпомпване е показана на фигура 1.1 (b). Понастоящем повечето всички-твърдотелни-лазери с изходна мощност, варираща от стотици ватове до киловати, приемат структурата на странично изпомпване.

3. Сравнение на двата метода на изпомпване

LD крайното изпомпване има предимствата на проста и компактна структура, висока ефективност и добро качество на лъча. Въпреки че изпомпването от страна на LD води до висока-мощност на лазерния изход, то има сравнително сложна структура и голям обем. Следователно методът на LD end-изпомпване е възприет в това проучване за компактендалечна UVC лампа 222 nmприложения.

1.4.3 Лазерна резонансна кухина

Във всички-твърдотелни-лазери изборът на лазерна резонансна кухина оказва значително влияние върху производителността на лазерния изход. След определяне на параметрите на лазерния кристал, трябва да се избере подходяща резонансна кухина въз основа на изискванията за изходна производителност на лазера. От горния анализ на системата на енергийните нива на Nd³⁺-легирана усилваща среда, квази-три-системата има малко напречно-емисионно сечение и страда от реабсорбция. Тези неблагоприятни фактори имат не-незначително въздействие върху постигането на висока-мощност и високо-лъч-качество на основната честота на светлинния поток. Следователно, когато се избира структурата на резонансната кухина, трябва да се вземат предвид два аспекта: тя трябва да благоприятства подобряването на изхода на светлина с основна честота и постигане на ефективност на удвояване на висока честота. От горния преглед на литературата за DUV твърдотелни-лазери, за системи с четири-нива, най-простият метод за генериране на четвъртата хармоника е използването на генериране на втора хармоника извън кухина. Въпреки това, за квази-три-системата, приета в това изследване, ефективността на преобразуване на удвояване на честотата, получена чрез генериране на втори хармоник извън кухината, ще бъде доста ниска. Следователно, за ефективно генериране222 nm UV светлина, е необходимо да се обмисли изчерпателно и да се избере структура с резонансна кухина, която е лесна за изпълнение и позволява високо-ефективно удвояване на честотата.

За да се подобри ефективността на удвояване на честотата, кристалът-за удвояване на честотата обикновено се поставя вътре в лазерната кухина (т.е.вътрекухинно удвояване на честотата). Това позволява на светлината с основна честота да преминава през кристала-удвояване на честотата многократно (напред и назад), като по този начин подобрява степента на използване на светлината с основна честота. Често използваните типове кухини включватправа-кухина интракаваторно удвояване на честотата, V-кухина вътрешно кухина удвояване на честотата, иZ-кухина вътрешно кухина удвояване на честотата, с техните структури, показани на фигури 1.6–1.8. Подобен ефективен метод е използването на резонансна кухина извън кухина за увеличаване на циркулиращата мощност на основната вълна, хармоничната вълна или и двете.

Структурата с права -кухина има предимствата на опростен и компактен дизайн и лесна настройка, но нейната ефективност на удвояване на честотата е ниска. Това е така, защото размерите на петната върху средата за усилване на лазера и кристала-удвояване на честотата не могат да бъдат свободно избрани, което прави невъзможно постигането както на съвпадение на режима на лъча, така и на висока ефективност на удвояване на честотата. Следователно структурата на права-кухина не е подходяща за среда за усилване на системата с квази-три-ниво на Nd³⁺-легирана.

Резонансната структура на V-кухината има две относително независими лъчеви ленти на двете си рамена, които могат едновременно да отговарят на условията за съгласуване на режима и високо-ефективно удвояване на честотата. Той обаче страда от астигматизъм, който влошава качеството на лазерния лъч.

Z-кухината има висока ефективност на удвояване на честотата и добра термична стабилност, с малко по-добро качество на лъча от V-кухината. Въпреки това, той има сложна структура и голяма загуба в кухината.

За резонансната кухина извън кухината е необходимо широколентово серво за прецизно управление на дължината на кухината, а пропускливостта на входното огледало за падащата светлина трябва да бъде импеданс-съгласуван с общата загуба в кухината, за да се постигне най-висока ефективност на преобразуване. Това води до относително сложна цялостна структура. (Фигура 1.6 Схематична диаграма на LD крайна{4}}изпомпвана структура с право-вътрешно удвояване на честотата в кухината) (Фигура 1.7 Схематична диаграма на LD крайна{7}}изпомпвана V-кухина структура с удвояване на честотата с вътрешно кухина) (Фигура 1.8 Схематична диаграма на LD крайна-изпомпвана структура Z-структура за удвояване на честотата във вътрешността на кухината)

Въз основа на горния анализ, V--образната лазерна резонансна кухина с генериране на втора хармоника в кухината е предпочитана в това изследване и е приет сравнително прост метод за фокусиране на лещи за частта с четворно удвояване на честотата извън кухината за оптимизиране222nm крушкаизпълнение.