5.1 Експериментална схема на 222nm твърд{2}}лазер
5.1.1 Експериментална настройка на лазерна система
Експерименталната постановка надалеч uvc 222nmдълбоко-ултравиолетов лазер е показан на Фигура 5.1, който приема V--образна резонансна кухина структура с генериране на втора хармоника вътре в кухината и генериране на четвърта хармоника извън кухината. Източникът на помпата е оптично-свързан лазерен диоден масив с максимална изходна мощност от 110 W. Чрез регулиране на температурата централната дължина на вълната на светлината на помпата съвпада с централната дължина на вълната на поглъщане на Nd:YVO₄ и се фокусира в петно на помпата с радиус от 200 μm чрез система за колимиране и фокусиране и се инжектира в кристала Nd:YVO₄. Системата за свързване се състои от две плоско-изпъкнали огледала с радиус на кривина R=10mm и 45-градусов поляризатор. Атомната фракция на Nd³⁺ легиране в кристала Nd:YVO₄ е 0,1%, а размерът му е 4 mm × 4 mm × 5 mm. Левият край е покрит с 808nm, 1064nm анти{20}}отразяващи филми и 914nm висок-отражателен филм, докато десният край е покрит с 914nm, 1064nm и 1342nm анти{26}}отражателни филми. Страната на лазерния кристал е обвита със слой индиево фолио и е монтирана върху червен меден радиатор, а контролът на температурата се извършва от охладител с циркулираща вода. За да се осигури достатъчно разсейване на топлината на кристала, трябва да се гарантира, че четирите страни на кристала са в пълен контакт с водния поток на охладителя. Като изходно огледало се използва плоско-вдлъбнато огледало M с радиус на кривина 50 mm. Неговата вдлъбната повърхност е покрита с 914nm висок-отразяващ филм и 457nm, 1064nm, 1342nm анти{38}}отражателни филми, а равнината му е покрита с 457nm, 914nm, 1064nm и 1342nm анти-отражателни филми. Плоско огледало M₂ с радиус на кривина 200 mm се използва като рефлектор, а повърхността му е покрита с 457nm и 914nm високо-отражателни филми, така че лявото крайно огледало M1 на кристала Nd:YVO₄, огледалото M и огледалото M₂ образуват V-образна резонансна кухина, с ъгъл между две ръце ≈10 градуса. Сред тях, акустичен -оптичен Q-превключвател е вмъкнат в дългото рамо L1, образувано от огледала M1 и M, и LBO кристал за генериране на втора хармоника е вмъкнат в късото рамо, образувано от огледала M и M2, и поставен на разстояние от около 1 mm от рефлектора M2. Кристалът LBO е с размери 4 mm × 4 mm × 15 mm и двата края на кристала са покрити с 457 nm, 914 nm и 1064 nm анти{62}}отражателни филми. Дължината на вълната на трептене на тази резонансна кухина е 914 nm. След удвояване на честотата от кристала LBO се генерира дължина на вълната от 457 nm, която осцилира в късото рамо на резонансната кухина и излиза от плоско-вдлъбнато огледало M. M3 е 457nm фокусиращо огледало, чиято повърхност е покрита с 457nm анти{71}}отражателен филм. BBO кристал за четвърта хармонична генерация е поставен близо до фокусната точка. Двата края на кристала са покрити с 457nm и 222nm анти{76}}отражателни филми. След удвояване на честотата от BBO кристала,далеч uv 222може да се генерира ултравиолетов лазер, а лазерите 457nm и 222nm са разделени от призма на разделител на лъча M₄.
Фигура 5.1 Експериментална настройка на 222nm дълбок{2}}ултравиолетов лазер 1-оптична свързваща система; 2-Nd:YVO₄ кристален модул, обвит в радиатор; 3-акусто-оптично устройство Q-превключвател; 4-Изходно огледало M; 5-LBO кристално устройство; 6-Рефлектор M₂; 7-457nm фокусиращо огледало M₃; 8-BBO кристал; 9-лъчева сплитерна призма.
5.1.2 Методи за измерване на лазерни параметри
1. Дължина на вълната на лазера
При измерването на изходната дължина на вълната на лазера се използва Ocean HR4000CG - UV - NIR спектрометър, който покрива диапазон на дължина на вълната от 200~1100 nm с разделителна способност 0,75 nm (пълна ширина на половината максимум), а физическата диаграма е показана на Фигура 5.2. По време на измерването лазерният лъч се отразява или преминава през затихващ лист в сондата на спектрометъра и стойността на дължината на вълната надалеч uvc 222nmлазерният лъч се наблюдава през дисплея.
Фигура 5.2 Физическа диаграма на Ocean HR4000CG - UV - NIR спектрометър
2. Честота на лазерно повторение
Изберете фотодетектор, чийто спектрален отговор съответства на изходната дължина на вълната на лазера; изберете подходящ фотодетектор и осцилоскоп според диапазона на ширината на изходния импулс на лазера. Използваме осцилоскоп от модел Tektronix TDS3054C, който има честотна лента от 500MHz и честота на дискретизация от 5GS/s, както е показано на фигура 5.3(a). Фотодетекторът е модел THORLABS DET10A - силициев детектор, чийто спектрален обхват на реакция е 200~1100nm, а времето на нарастване е 1 ns, както е показано на Фигура 5.3(b).
Фигура 5.3 Физически диаграми на осцилоскоп и фотодетектор (a) Осцилоскоп (b) Фотодетектор
Оставете лазерния импулс да влезе във фотодетектора и накарайте фотодетектора да работи в линейния диапазон. Настройте чувствителността и скоростта на сканиране на осцилоскопа, така че на екрана на осцилоскопа да се появят две стабилни вълни на лазерен импулс. Запишете времевия интервал t между два съседни импулса и повторете измерването n (n по-голямо или равно на 10) пъти. Изчислете честотата на повторение на импулса f съгласно формула (5.1): f=1∑i=1ntin (Hz) f=\\frac{1}{\\frac{\\sum_{i=1}^{n} t_i}{n}} \\ (Hz) f=n∑i=1nti1 (Hz) където: tit_iti е интервалът от време между два съседни импулса при i-тото измерване, единица: s; n е броят на измерванията.
3. Ширина на лазерния импулс
Измерването на ширината на импулса може да се отнася до стъпките на измерване на честотата на повторение. Нека лазерният импулс влезе във фотодетектора и фотодетекторът работи в линейния диапазон. Формата на вълната на времето на импулса се показва на екрана на осцилоскопа. Запишете ширината на импулса τi\\tau_iτi в този момент и повторете измерването n (n По-голямо или равно на 10) пъти. Изчислете ширината на импулса τ\\tauτ съгласно формула (5.2): τ=1n∑i=1nτi (ns) \\tau=\\frac{1}{n} \\sum_{i=1}^{n} \\tau_i \\ (ns) τ=n1∑i=1nτi (ns) където: τi\\tau_iτi е ширината на импулса, измерена при i--то измерване, единица: s; n е броят на измерванията.
4. Пикова мощност на лазера
Когато изчисляваме пиковата мощност, първо трябва да измерим средната мощност на лазера. Има два вида сонди, използвани за измерване, както е показано на Фигура 5.4. Фигура (a) е лазерен измервател на мощност OPHIR 30A - BB - 18 с обхват на измерване от 10mW~30W и точност на измерване от 3%. Фигура (b) е OPHIR PD300R - UV лазерен мощностомер с диапазон на измерване от 20pW~300mW и точност на измерване от 10%.
Фигура 5.4 Лазерни измерватели на мощност (a) OPHIR 30A-BB-18 лазерен измервател на мощност (b) OPHIR PD300R-UV лазерен измервател на мощност
По време на измерването подравнете сондата на лазерния измервател на мощност с изходния лъч на лазера, включете захранването на лазерния измервател на мощност, изберете подходящ диапазон и калибрирайте неговата нулева точка. Измервайте и записвайте показанието P на електромера веднъж на всеки определен период от време в съответствие със спецификацията на продукта и повторете измерването n (n По-голямо или равно на 10) пъти. Изчислете средната мощност Pˉ\\bar{P}Pˉ на лазера съгласно формула (5.3): Pˉ=1n∑i=1npi (W) \\bar{P}=\\frac{1}{n} \\sum_{i=1}^{n} p_i \\ (W) Pˉ=n1∑i=1npi (W), където: pip_ipi е средната мощност, получена при i--то измерване, единица: W; n е броят на измерванията.
След като получите средната мощност на лазера, изчислете пиковата мощност PpkP_{pk}Ppk съгласно формула (5.4): Ppk=Pˉf⋅τ (W) P_{pk}=\\frac{\\bar{P}}{f \\cdot \\tau} \\ (W) Ppk=f⋅τPˉ (W), където: Pˉ\\bar{P}Pˉ е средната мощност, единица: W; f е честотата на повторение на импулса, единица: Hz; τ\\tauτ е ширината на импулса, единица: ns.
5. Качество на лъча
Коефициентът на качество на лъча е представен от M², а неговата формула за изчисление е M2=π4λ⋅d0⋅θ M^2=\\frac{\\pi}{4\\lambda} \\cdot d_0 \\cdot \\theta M2=4λπ⋅d0⋅θ където: d0d_0d0 е ширината на талията или диаметъра на талията, единица: nm; θ\\thetaθ е ъгълът на отклонение на лъча на далечното поле-, единица: mrad; λ\\lambdaλ е дължината на лазерната вълна, единица: μm.
THORLABS BP209 - VIS сканиращ анализатор на качеството на прорезния лъч се използва за измерванедалеч uvc 222качество на лазерния лъч, с работен диапазон на дължина на вълната от 200~1100nm, който може да измерва непрекъснати и импулсни лъчи с честота на повторение не по-малка от 10Hz. Скоростта на сканиране може да бъде зададена на 2~20Hz, както е показано на Фигура 5.5. Анализаторът на сканиращия процеп има въртящ се барабан с две или повече двойки ортогонални процепи вътре. Барабанът се върти около оптичната ос, сменяйки прорезите в посоките X и Y пред детектора, така че сканиращият прорез преминава през оптичния път. По този начин измереният сигнал за мощност се свързва с позицията на барабана и процепа, от които се изчисляват диаметърът на лъча d и профилът на интензитета.
Фигура 5.5 Анализатор на качеството на лъча
Тестовата система за анализ на качеството на лъча е показана на фигура 5.6. Контролерът на подвижната платформа има точност от 3 μm, която контролира дължината на стъпката на анализатора за качество на лъча всеки път, за да получи диаметъра на лъча did_idi в съответната позиция. Заместете Z стойностите в различни позиции в посоката на предаване на лазерния лъч и съответните им диаметри на петна във формула (5.6), за да изчислите стойностите на коефициентите A, B и C, т.е.
Фигура 5.6 Тестова система за анализ на качеството на лъча
От стойностите на коефициентите A, B и C могат да се изчислят -диаметърът на кръста на обекта d0d_0d0, ъгълът на отклонение на лъча θ\\thetaθ и коефициентът на качество на лъча M². Формулите за изчисление са d0=A−B24C d_0=\\sqrt{A - \\frac{B^2}{4C}} d0=A−4CB2 θ=C \\theta=\\sqrt{C} θ=C M2=πλA⋅C−B24 M^2=\\frac{\\pi}{\\lambda} \\sqrt{A \\cdot C - \\frac{B^2}{4}} M2=λπA⋅C−4B2
5.2 Експеримент с 222nm твърд-лазер
5.2.1 457nm непрекъснат лазерен изход
Изходната мощност и качеството на лъча на 457nm непрекъснат лазер са ключови фактори, влияещи върху неговата импулсна изходна производителност и придобиването надалеч uv 222лазер чрез екстракавитно удвояване на честотата, за разлика от възникващите222nm LEDтехнологии, които предлагат алтернативни далеч{0}}източници на UVC. Според теоретичните изследвания в предишните глави, тази настройка оптимизира условията за ефективнодалеч uvc 222nmгенериране чрез-методи в твърдо състояние.
