Perspectives d'aplicació del làser de 222 nm en el camp de la fabricació de dispositius fotònics 4

Perspectives d'aplicació del làser de 222 nm en el camp de la fabricació de dispositius fotònics 4

Densitat de potència i selecció de cristalls amb longituds adequades

En seleccionar cristalls de duplicació de freqüència no lineal-, a més de tenir en compte els factors d'influència esmentats anteriorment, en general, també s'han de complir els requisits següents:

① Un valor de birrefringència moderat (quan s'adopta la concordança de fase d'angle, hi hauria d'haver un angle de concordança de fase);

② L'angle de marxa-més petit possible;

③ El més gran possible la temperatura, l'angle i l'ample de banda d'acceptació espectral;

④ Un ampli rang de longitud d'ona transparent que no afecta l'eficiència de conversió no lineal (especialment per a la banda ultraviolada);

⑤ Un llindar de dany relativament alt;

⑥ Fàcil de cultivar i baix cost de preparació;

⑦ Excel·lents propietats físiques i químiques i estabilitat mecànica.

Aquest estudi utilitza principalment cristalls de duplicació de freqüència no lineal-per generar el segon harmònic, incloses aplicacions on la llum UVC de 222 nm de distància per a la venda podria beneficiar-se d'aquests avenços. En el procés de duplicació de freqüència amb cristalls de duplicació de freqüència no lineal-, per millorar l'eficiència de duplicació de freqüència-, és un requisit previ que la llum de freqüència fonamental i la llum de freqüència-doblada compleixin la condició de concordança de fase. Hi ha dos mètodes per aconseguir la concordança de fase: la concordança de fase crítica (angle) i la no-crítica (temperatura). Normalment, la concordança de la fase de temperatura pot aconseguir una freqüència més alta-duplicar l'eficiència i una millor qualitat del feix, però requereix una caixa de control de temperatura, que resulta en una estructura complexa, un gran volum i un cost elevat. Per tant, en aquest estudi s'utilitzen cristalls no lineals que coincideixen amb la fase d'angle. Les característiques dels cristalls de doble freqüència-no lineals utilitzats per generar llum blava de 457 nm i llum ultraviolada de 222 nm de profunditat, com ara la llum de 222 nm, es resumeixen a la taula 1.7.

Taula 1.7 Característiques dels cristalls de duplicació de freqüència no lineal- capaços de generar làsers de 457 nm i 222 nm

El tetraborat de liti LiB₃O₅ (LBO) i el borat de bismut BiB₃O₅ (BiBO) són dos cristalls comercials no lineals de doble freqüència-que poden duplicar la freqüència a la-banda d'infrarojos propers per generar llum blava, que poden donar suport a productes com la llum UVC llunyana 222 nm Amazon. A la segona-generació harmònica (SHG) del làser de 914 nm, tot i que BiBO té un gran coeficient no lineal de 3,44 pm/V, el seu gran angle de desplaçament-de 44,99 mrad condueix a una mala qualitat del feix del punt de llum obtingut, reduint així l'eficiència de duplicació de la freqüència-. Per tant, el cristall BiBO no s'utilitza en aquest experiment.

Tecnologia làser d'estat sòlid-de 222nm ultraviolat profund

LBO s'ha seleccionat com el cristall de segona-generació harmònica en aquest estudi perquè té un petit angle de desplaçament-de 12,48 mrad, el que el fa ideal per generar llum uvc de 222 nm. Tot i que LBO té un petit coeficient no lineal de 0,803 pm/V, el relativament petit coeficient no lineal es pot compensar ampliant la longitud de LBO. Actualment, els cristalls no lineals utilitzats habitualment per a la duplicació de la freqüència ultraviolada són principalment cristalls β-BaB₂O₄ (BBO) i CsLiB₆O₁₀ (CLBO). Entre ells, el cristall CLBO té un coeficient no lineal relativament alt, un petit angle de desplaçament-i gairebé cap absorció de làser a la banda ultraviolada, cosa que afavoreix la generació de llum ultraviolada d'alt rendiment, incloses variants com ara la llum UVC de 222 nm a la venda. Tanmateix, el cristall CLBO no pot aconseguir la concordança de fase a 457 nm (per a la generació de segona-harmònica). Els cristalls RbBe₂BO₃F₂ (RBBF) i KBe₂BO₃F₂ (KBBF) també poden generar làser de 222 nm mitjançant la duplicació de freqüència, però els seus coeficients no lineals efectius són petits i la seva tecnologia de creixement encara s'ha de millorar. No han format productes comercials, cosa que no afavoreix l'assoliment d'una sortida làser ultraviolada d'alta-eficiència, a diferència d'opcions més accessibles, com ara la llum ultraviolada llunyana de 222 nm d'Amazon. En comparació amb altres cristalls, el cristall BBO és un excel·lent cristall no lineal amb un gran coeficient no lineal efectiu, un alt llindar de dany i un ampli rang de longitud d'ona de transmissió de llum. El seu rendiment òptic és molt estable. És un cristall comercial més utilitzat actualment per generar làsers ultraviolats i ultraviolats profunds, com la llum de 222 nm, i el seu preu és moderat. Per tant, en aquest treball de recerca, BBO es selecciona com el quart-cristall de generació harmònica. La teoria detallada de l'òptica no lineal i el disseny de paràmetres dels cristalls de duplicació de freqüència LBO i BBO-s'introduiran amb detall al capítol 4.

A partir de l'anàlisi anterior i la selecció de diferents mitjans de guany làser, mètodes de bombeig LD, cavitats ressonants, mètodes de commutació Q-i característiques del cristall de duplicació de freqüència no lineal-, es proposa la ruta tècnica d'aquest treball: LD end-bombejat Nd:YVO₄ i s'utilitza la tecnologia acústica Q{{3}d'operació de polsos per realitzar l'operació de polsos- de làser de 914 nm. La cavitat ressonant làser en forma d'AV-i el cristall de duplicació de freqüència LBO-s'utilitzen per a la generació de segon-harmònic intracavitat per obtenir una sortida làser de 457 nm. Aleshores, el mètode d'enfocament de cristalls i lents BBO s'utilitza per duplicar la freqüència d'extracavitat de la llum blava de 457 nm per obtenir una sortida làser ultraviolada profunda de 222 nm, que podria inspirar desenvolupaments en aplicacions de llum uvc de 222 nm.

Figura 1.15 Diagrama esquemàtic de l'estructura bàsica d'un làser-sòlid per a la realització d'un làser ultraviolat profund de 222 nm

(Contingut del diagrama: Font de la bomba LD → Sistema d'acoblament → M₁ → Nd:YVO₄ → Commutador Q-optic acústic → M₂ (LBO) → M → M₃ → BBO → M₄ → 222nm; amb camins làser marcats de 914nm i 457nm)

Capítol 1 Introducció

1.5 Continguts principals d'aquest llibre

Aquest llibre presenta principalment la tecnologia làser d'estat sòlid per generar làser ultraviolat de 222 nm de profunditat a través de la quarta generació harmònica de la línia espectral de 914 nm del sistema Nd:YVO₄ quasi-tres- amb alta eficiència i estructura compacta, rellevant per a mercats emergents de llum per a mercats emergents, com ara uvc2. El llibre consta de 6 capítols, i l'estructura i els continguts principals són els següents.

Capítol 1 Introducció

Presenta els antecedents de la investigació i la importància dels làsers de banda ultraviolada profund de 222 nm, l'historial de desenvolupament de tots els làsers d'estat-sòlid-, i se centra en les principals tecnologies d'implementació i la visió general del desenvolupament de tots els làsers d'ultraviolat profund-sòlid-. A partir d'això, es proposa el recorregut tècnic adoptat en aquest llibre, i s'assenyalen els principals problemes d'aquest esquema i la direcció de recerca d'aquest llibre.

Capítol 2 Teoria i anàlisi de l'efecte tèrmic del làser Nd:YVO₄ 914nm

A partir de l'equació de velocitat làser de quasi-tres- nivells en estat estacionari, s'introdueix l'efecte de reabsorció del cristall làser Nd:YVO₄, la influència de la relació de mida del punt de bomba al radi de la cintura del feix oscil·lant i la longitud del cristall en el rendiment de sortida del làser de 914 nm. A partir de la teoria de la conducció de calor, s'estableix un model de làser Nd:YVO₄ de 914 nm bombat a l'extrem LD-. Quan la distribució de la llum de la bomba és gaussiana, la solució s'obté per mètode analític. Es comparen les proporcions dels tres factors, és a dir, la diferència d'índex de refracció de la temperatura, la birrefringència de l'estrès i l'expansió tèrmica de la cara de l'extrem del cristall, per generar l'efecte de la lent tèrmica dins del medi de guany, i la seva distància focal tèrmica es mesura experimentalment pel mètode de la cavitat ressonant paral·lela{8}.

Capítol 3 Acousto-Tecnologia de commutació Q-òptica i disseny de cavitats ressonants en forma de V-

S'estableix un model teòric de l'equació de velocitat acústica-òptica Q-commutada 914nm Nd:YVO₄ i s'analitzen els factors que afecten l'amplada del pols làser de sortida. Mitjançant el càlcul numèric i la simulació, s'estudia la relació entre el nombre de partícules als nivells d'energia superior i inferior, l'amplada del pols i l'energia d'un pols-únic del làser Nd:YVO₄ de 914nm Nd:YVO₄ i la potència de la bomba i la freqüència de repetició. Es proposa una tecnologia de control auto-coherent que utilitzi efectes tèrmics sobre la qualitat del feix per dissenyar els paràmetres de la cavitat ressonant. Utilitzant la teoria estàndard de la matriu de transmissió ABCD i les condicions d'estabilitat de la cavitat ressonant, s'analitza i es discuteix en detall la variació de la mida del punt oscil·lant en diferents posicions de la cavitat plegada de tres miralls del làser amb la longitud de la cavitat del sub-braç.

Capítol 4 Freqüència no lineal-Teoria i freqüència de duplicació-Disseny de duplicació de cristalls

A partir de les equacions de Maxwell, s'analitzen sistemàticament el mecanisme de generació d'efectes òptics no lineals, així com les condicions de concordança de fase per a la duplicació de la freqüència del cristall de tipus I i tipus II, mitjançant el model de Lorentz, l'equació de l'índex de refracció i la teoria d'interacció entre ones electromagnètiques i substàncies materials. Combinat amb l'equació de dispersió i l'expressió del coeficient no lineal efectiu, es calculen numèricament els angles de concordança de fase i els coeficients no lineals efectius dels cristalls de duplicació de freqüència LBO/BBO-utilitzats per generar làsers de 457 nm i 222 nm.

Tecnologia làser d'estat sòlid-de 222nm ultraviolat profund

Capítol 5 Experiment amb làser d'estat sòlid d'ultraviolat profund de 222 nm

A partir de la investigació teòrica i el disseny de paràmetres dels capítols anteriors, es realitza l'experiment d'optimització del làser de 222 nm. En primer lloc, tenint en compte la concordança de modes, es realitza l'experiment d'optimització del làser continu de 457 nm per obtenir una sortida làser contínua de 457 nm amb una potència relativament alta i una bona qualitat del feix. A continuació, seleccionant una lent d'enfocament amb una distància focal adequada, la longitud del cristall BBO i les seves posicions de col·locació, es realitza una duplicació de la freqüència focalitzada en extracavitat del làser de 457 nm per obtenir làser continu de 222 nm. A partir del làser continu de 457 nm, combinat amb la tecnologia de commutació acústica-Q-òptica, es canvia la freqüència de modulació per trobar la sortida del làser polsat de 457 nm amb la potència màxima màxima. A continuació, s'enfoca amb una lent extracavitat i es genera làser polsat de 222 nm mitjançant la duplicació de freqüència pel cristall BBO. A més, es porta a terme un estudi experimental sobre la inactivació de bacteris per làser polsat de 222 nm, que s'alinea amb els usos pràctics de la llum uvc de 222 nm per a la venda i la llum de 222 nm.