Prospettive applicative del laser a 222 nm nel campo della fabbricazione di dispositivi fotonici 4

Prospettive applicative del laser a 222 nm nel campo della fabbricazione di dispositivi fotonici 4

Densità di potenza e selezione di cristalli con lunghezze adeguate

Quando si selezionano cristalli che raddoppiano la frequenza-non lineare, oltre a considerare i fattori di influenza sopra menzionati, in generale, dovrebbero essere soddisfatti anche i seguenti requisiti:

① Un valore di birifrangenza moderato (quando viene adottato l'adattamento di fase angolare, dovrebbe esserci un angolo di adattamento di fase);

② L'angolo di allontanamento-più piccolo possibile;

③ La massima larghezza di banda possibile per temperatura, angolo e accettazione spettrale;

④ Un ampio intervallo di lunghezze d'onda trasparenti che non influisce sull'efficienza di conversione non lineare (soprattutto per la banda ultravioletta);

⑤ Una soglia di danno relativamente alta;

⑥ Facile da coltivare e basso costo di preparazione;

⑦ Eccellenti proprietà fisiche e chimiche e stabilità meccanica.

Questo studio utilizza principalmente cristalli di raddoppio della frequenza non lineare- per generare la seconda armonica, comprese le applicazioni in cui la luce UVC lontana da 222 nm in vendita potrebbe trarre vantaggio da tali progressi. Nel processo di raddoppio della frequenza con cristalli di raddoppio della frequenza-non lineare, per migliorare l'efficienza del raddoppio della frequenza-, è un prerequisito che la luce della frequenza fondamentale e la luce della frequenza raddoppiata-soddisfino la condizione di corrispondenza di fase. Esistono due metodi per ottenere l'adattamento di fase: abbinamento di fase critico (angolo) e non-critico (temperatura). Di solito, l'adattamento di fase della temperatura può raggiungere un'efficienza di raddoppio della frequenza più elevata e una migliore qualità del fascio, ma richiede una scatola di controllo della temperatura, il che si traduce in una struttura complessa, grandi volumi e costi elevati. Pertanto, in questo studio vengono utilizzati cristalli non lineari con corrispondenza della fase angolare. Le caratteristiche dei cristalli che raddoppiano la frequenza-non lineare utilizzati per generare luce blu a 457 nm e luce ultravioletta profonda a 222 nm, come la luce a 222 nm, sono riepilogate nella Tabella 1.7.

Tabella 1.7 Caratteristiche della frequenza non lineare-Cristalli raddoppianti in grado di generare laser da 457 nm e 222 nm

Il tetraborato di litio LiB₃O₅ (LBO) e il borato di bismuto BiB₃O₅ (BiBO) sono due cristalli commerciali non lineari che raddoppiano la frequenza-che possono realizzare il raddoppio della frequenza nella banda del vicino-infrarosso per generare luce blu, supportando potenzialmente prodotti come la luce uvc lontana 222 nm amazon. Nella seconda-generazione armonica (SHG) del laser da 914 nm, sebbene BiBO abbia un coefficiente non lineare elevato di 3,44 pm/V, il suo ampio angolo di cammino-di 44,99 mrad porta a una scarsa qualità del raggio dello spot luminoso ottenuto, riducendo così l'efficienza del raddoppio della frequenza-. Pertanto, il cristallo BiBO non viene utilizzato in questo esperimento.

Tecnologia laser a stato solido-a ultravioletto profondo da 222 nm

LBO è selezionato come il secondo-cristallo di generazione armonica in questo studio perché ha un piccolo angolo di allontanamento-di 12,48 mrad, che lo rende ideale per generare luce uvc da 222 nm. Sebbene LBO abbia un piccolo coefficiente non lineare di 0,803pm/V, il coefficiente non lineare relativamente piccolo può essere compensato estendendo la lunghezza di LBO. Attualmente, i cristalli non lineari comunemente usati per il raddoppio della frequenza ultravioletta sono principalmente cristalli β−BaB₂O₄ (BBO) e CsLiB₆O₁₀ (CLBO). Tra questi, il cristallo CLBO ha un coefficiente non lineare relativamente alto, un piccolo angolo di allontanamento-e quasi nessun assorbimento del laser nella banda ultravioletta, il che favorisce la generazione di un'emissione di luce ultravioletta ad alte-prestazioni, comprese varianti come la luce UVC lontana da 222 nm in vendita. Tuttavia, il cristallo CLBO non può raggiungere la corrispondenza di fase a 457 nm (per la generazione della seconda-armonica). I cristalli RbBe₂BO₃F₂ (RBBF) e KBe₂BO₃F₂ (KBBF) possono anche generare laser a 222 nm attraverso il raddoppio della frequenza, ma i loro coefficienti non lineari effettivi sono piccoli e la loro tecnologia di crescita deve ancora essere migliorata. Non hanno formato prodotti commerciali, il che non favorisce il raggiungimento di un'emissione laser ultravioletta ad alta-efficienza, a differenza di opzioni più accessibili come Amazon con luce UV lontana da 222 nm. Rispetto ad altri cristalli, il cristallo BBO è un eccellente cristallo non lineare con un ampio coefficiente non lineare efficace, un'elevata soglia di danno e un ampio intervallo di lunghezze d'onda di trasmissione della luce. Le sue prestazioni ottiche sono molto stabili. Attualmente è un cristallo commerciale ampiamente utilizzato per generare laser ultravioletti e ultravioletti profondi, come la luce a 222 nm, e il suo prezzo è moderato. Pertanto, in questo lavoro di ricerca, BBO è selezionato come cristallo della quarta-generazione armonica. La teoria dettagliata dell'ottica non lineare e la progettazione dei parametri dei cristalli che raddoppiano la frequenza LBO e BBO-verranno introdotti in dettaglio nel Capitolo 4.

Sulla base dell'analisi di cui sopra e della selezione di diversi mezzi di guadagno laser, metodi di pompaggio LD, cavità risonanti, metodi di commutazione Q-e caratteristiche del cristallo di raddoppio della frequenza non lineare, viene proposto il percorso tecnico di questo lavoro: la tecnologia di commutazione Q- dell'estremità LD-pompato e la tecnologia di commutazione Q-acustica-ottica vengono utilizzate per realizzare il funzionamento pulsato del laser a 914 nm. La cavità risonante laser a forma di AV-e il cristallo di raddoppio della frequenza LBO-vengono utilizzati per la generazione della seconda-armonica intracavità per ottenere un'uscita laser da 457 nm. Quindi, il cristallo BBO e il metodo di messa a fuoco delle lenti vengono utilizzati per raddoppiare la frequenza extracavità della luce blu a 457 nm per realizzare un'emissione laser ultravioletta profonda a 222 nm, che potrebbe ispirare sviluppi nelle applicazioni di luce UVC a 222 nm.

Figura 1.15 Diagramma schematico della struttura di base di un laser a stato solido- per la realizzazione di laser a raggi ultravioletti profondi da 222 nm

(Contenuto del diagramma: Sorgente pompa LD → Sistema di accoppiamento → M₁ → Nd:YVO₄ → Acustico-ottico Q-interruttore → M₂ (LBO) → M → M₃ → BBO → M₄ → 222 nm; con percorsi laser contrassegnati da 914 nm e 457 nm)

Capitolo 1 Introduzione

1.5 Contenuti principali di questo libro

Questo libro introduce principalmente la tecnologia laser a stato solido-per la generazione di laser ultravioletto profondo a 222 nm attraverso la quarta-generazione armonica della linea spettrale a 914 nm del sistema Nd:YVO₄ quasi-tre-livello con alta efficienza e struttura compatta, rilevante per i mercati emergenti come la luce UVC lontana a 222 nm in vendita. Il libro è composto da 6 capitoli e la struttura e i contenuti principali sono i seguenti.

Capitolo 1 Introduzione

Presenta il background della ricerca e il significato dei laser nella banda dell'ultravioletto profondo da 222 nm, la storia dello sviluppo di tutti i laser a stato solido- e si concentra sulle principali tecnologie di implementazione e una panoramica dello sviluppo di tutti i laser nell'ultravioletto profondo a-stato solido-. Sulla base di ciò, viene proposto il percorso tecnico adottato in questo libro, e vengono evidenziati i principali problemi di questo schema e la direzione di ricerca di questo libro.

Capitolo 2 Teoria e analisi dell'effetto termico del laser Nd:YVO₄ 914 nm

Partendo dall'equazione della velocità del laser a quasi-tre-livello in stato stazionario, vengono introdotti l'effetto di riassorbimento del cristallo laser Nd:YVO₄, l'influenza del rapporto tra le dimensioni dello spot della pompa e il raggio della vita del raggio oscillante e la lunghezza del cristallo sulle prestazioni dell'uscita laser a 914 nm. Partendo dalla teoria della conduzione del calore, viene stabilito un modello di laser Nd:YVO₄ pompato da 914 nm LD-. Quando la distribuzione della luce della pompa è gaussiana, la soluzione viene ottenuta mediante metodo analitico. Vengono confrontate le proporzioni dei tre fattori, vale a dire la differenza dell'indice di rifrazione della temperatura, la birifrangenza dello stress e l'espansione termica della faccia terminale del cristallo, nel generare l'effetto lente termica all'interno del mezzo di guadagno e la sua lunghezza focale termica viene misurata sperimentalmente con il metodo della cavità risonante piana-parallela.

Capitolo 3 Tecnologia di commutazione acustica-Ottica Q-e progettazione della cavità risonante a forma di V-

Viene stabilito un modello teorico dell'equazione della velocità acusto-ottica Q-commutata da 914 nm Nd:YVO₄ e vengono analizzati i fattori che influenzano l'ampiezza dell'impulso laser in uscita. Attraverso il calcolo numerico e la simulazione, viene studiata la relazione tra il numero di particelle nei livelli di energia superiore e inferiore, l'ampiezza dell'impulso e l'energia del singolo-impulso del laser Nd:YVO₄ acusto-ottico da 914 nm e la potenza della pompa e la frequenza di ripetizione. Viene proposta una tecnologia di controllo auto-coerente che utilizza gli effetti termici sulla qualità del fascio per progettare i parametri della cavità risonante. Utilizzando la teoria standard della matrice di trasmissione ABCD e le condizioni di stabilità della cavità risonante, viene analizzata e discussa in dettaglio la variazione della dimensione del punto oscillante in diverse posizioni nella cavità ripiegata a tre-specchi del laser con la lunghezza della cavità del braccio-.

Capitolo 4 Frequenza non lineare-Teoria e frequenza del raddoppio-Progetto del cristallo del raddoppio

Partendo dalle equazioni di Maxwell, il meccanismo di generazione degli effetti ottici non lineari, nonché le condizioni di adattamento di fase per il raddoppio della frequenza dei cristalli di tipo I e di tipo II, vengono analizzati sistematicamente attraverso il modello di Lorentz, l'equazione dell'indice di rifrazione e la teoria dell'interazione tra onde elettromagnetiche e sostanze materiali. Combinati con l'equazione di dispersione e l'espressione del coefficiente non lineare effettivo, gli angoli di corrispondenza di fase e i coefficienti non lineari effettivi dei cristalli di raddoppio della frequenza LBO/BBO- utilizzati per generare laser da 457 nm e 222 nm vengono calcolati numericamente.

Tecnologia laser a stato solido-a ultravioletto profondo da 222 nm

Capitolo 5 Esperimento del laser a stato solido- nell'ultravioletto profondo da 222 nm

Sulla base della ricerca teorica e della progettazione dei parametri nei capitoli precedenti, viene eseguito l'esperimento di ottimizzazione del laser a 222 nm. Innanzitutto, considerando la corrispondenza della modalità, viene eseguito l'esperimento di ottimizzazione del laser continuo a 457 nm per ottenere un'uscita laser continua a 457 nm con potenza relativamente elevata e buona qualità del raggio. Quindi, selezionando una lente di focalizzazione con una lunghezza focale appropriata, la lunghezza del cristallo BBO e le relative posizioni di posizionamento, viene eseguito il raddoppio della frequenza focalizzata nella extracavità del laser da 457 nm per ottenere un laser continuo da 222 nm. Sulla base del laser continuo da 457 nm, combinato con la tecnologia di commutazione acusto-ottica Q-, la frequenza di modulazione viene modificata per trovare l'uscita del laser pulsato da 457 nm con la potenza di picco massima. Quindi, viene focalizzato da una lente extracavità e il laser pulsato da 222 nm viene generato attraverso il raddoppio della frequenza del cristallo BBO. Inoltre, viene effettuato uno studio sperimentale sull'inattivazione dei batteri mediante laser pulsato a 222 nm, che si allinea con gli usi pratici della luce UVC lontana da 222 nm in vendita e della luce a 222 nm.