Izgledi primjene 222nm lasera u području proizvodnje fotonskih uređaja 3

Izgledi primjene 222nm lasera u području proizvodnje fotonskih uređaja 3
Electro-Optic Q-Tehnologija prebacivanja

Struktura elektro-optičkog Q-lasera je prikazana na slici 1.9. Elektro-optički Q-prekidač koristi elektro-optički modulator (elektro-optički Q-prekidač) za kontrolu gubitka šupljine. Kada se napon dovede na elektro-optički modulator, elektro-efekt (Pockelsov efekat) modulira stanje polarizacije svjetlosti. Dodatno, postavljanje polarizatora ili polarizacionog razdjelnika zraka u rezonantnu šupljinu omogućava kontrolu gubitka laserskih oscilacija. Dakle, elektro-optički Q-prekidanje postiže Q-prekidanje pokrenuto električnim signalom, čime se generiraju laserski impulsi. Za aplikacije koje zahtijevaju precizan dubok-UV izlaz, kao nprProdajem UVC svjetlo od 222 nm, ova tehnologija osigurava stabilnu kontrolu pulsa.

Slika 1.9Struktura elektro-optičkog Q-prekidača (ogledalo, laserski kristal, polarizator, elektro-optički Q-prekidač, izlazno ogledalo).

Uređaj koji modulira stanje polarizacije svjetlosti pomoću Pockelsovog efekta naziva se Pockelsova ćelija. Struktura Pockelsove ćelije prikazana je na slici 1.10. Pockelsova ćelija u kojoj je smjer električnog polja paralelan smjeru laserske oscilacije naziva se longitudinalni uređaj; onaj gdje je električno polje okomito na smjer laserske oscilacije naziva se poprečni uređaj. U uzdužnom uređaju, razmak elektroda je nezavisan od veličine čiste otvora, a potrebni napon je također nezavisan od otvora, što ga čini pogodnim za proizvodnju Pockelsovih ćelija s velikim otvorom -. U poprečnom uređaju, razmak između elektroda zavisi od veličine otvora, tako da nije prikladan za Pockelsove ćelije sa velikim-otvorom, ali može donekle smanjiti napon u aplikacijama sa malim-otvorom.

Slika 1.10Pockelsova ćelijska struktura(a) Uzdužni uređaj (elektro-optički materijal, električni signal) (b) Poprečni uređaj (elektro{0}}optički materijal, električni signal)

Duboka ultraljubičasta 222 nm laserska tehnologija u čvrstom{1}} stanju

Napon koji se primjenjuje na Pockelsovu ćeliju koja proizvodi faznu razliku od π između izlaznog i ulaznog svjetla naziva se polu-talasni napon (λ/2 napon), obično u rasponu od stotina do hiljada volti. Napon koji proizvodi faznu razliku π/2 naziva se napon četvrtine -talasa (λ/4 napon). Primjena ovih napona na Pockelsovu ćeliju daje efekte koji su ekvivalentni odgovarajućim talasnim pločama. U elektro-optičkom Q-prekidaču, umetanje polarizacionog razdjelnika snopa i primjena napona četvrtine{10}}talasa uzrokuje da svjetlost prođe kroz Pockelsovu ćeliju dva puta u krugu, rotirajući smjer polarizacije za 90 stepeni. Polarizacijski razdjelnik zraka tada blokira širenje svjetlosti, čime se mijenja gubitak šupljine. Ovaj princip je ključan u generiranju impulsa velike{14}}vršne{15}} snage zadaleko UVC svjetlo 222 nm Amazonkompatibilni sistemi za dezinfekciju.

Brojni kristali se koriste za proizvodnju elektro-optičkih Q-prekidača:

na primjer,LiNbO₃Kristali imaju male varijacije u piezoelektričnim koeficijentima i širok raspon temperaturne adaptacije (-50 do 60 stepeni), što ih čini uobičajenim u vojnim aplikacijama.

KD₂PO₄ (KD*P)iKDPsu komercijalno uobičajeni kristali. Uzdužni uređaji se obično koriste za uklanjanje efekata-odlaska. KDP-ov piezoelektrični koeficijent je temperaturno-osjetljiv, sklon depolarizaciji zbog termički indukovanog dvojnog prelamanja, koji se može kompenzirati korištenjem polarizacionog rotatora i dva elektro-optička kristala.

LGSi nelinearni kristali nude prednosti kao što su otpornost na delikvescenciju i široki pojasevi prenosa, pokazujući veliki potencijal za proizvodnju elektro-optičkih Q-prekidača u222nm svjetloizvori.

Periodično polirani litijum niobat (PPLN)kristali mogu funkcionirati kao ekvivalentni Braggovi modulatori. Kao Q-preklopni uređaji, imaju niski napon (<200 V) and repetition rates up to 10 kHz, but their damage threshold needs improvement.

Trenutno su tradicionalni elektro{0}}optički kristali ograničeni na stope ponavljanja općenito ispod 10 kHz zbog faktora kao što su provodljivost i elektro-optički koeficijenti. Kristali u nastajanju kao što je PPLN su nezreli i ne mogu izdržati kontinuirani rad velike snage. međutim,RTP, BBO, iLGSmože postići visoke stope ponavljanja (reda 100 kHz): RTP ima veliki elektro-optički koeficijent i četvrt-napon od samo 1 kV; BBO ima mali elektro{4}}optički koeficijent i četvrt{5}}napon do 3 kV; LGS pokazuje značajnu optičku aktivnost, što komplikuje izradu.

Tabela 1.6Poređenje performansi nekoliko uobičajenih kristala za elektro-optičke Q-prekidne uređaje [99−100]

Acousto-Optic Q-Tehnologija preklapanja

Mehanizam akusto-optičkog Q-prebacivanja uključuje ultrazvučne talase koji se šire kroz akusto{2}}optički medij da bi skrenuli laserski snop, čime se kontrolira gubitak šupljine. Struktura akusto{4}}optičkog Q-lasera je prikazana na slici 1.11. U poređenju sa elektro-optičkim Q-prekidanjem, potreban je samo akusto-optički modulator (akusto-optički Q-prekidač) za postizanje impulsne modulacije, što rezultira kompaktnijom strukturom idealnom za integriranu222nm UVC svjetlosistema.

Slika 1.11Struktura akusto-optičkog Q-prekidača (ogledalo, laserski kristal, akusto-optički Q-prekidač, izlazno ogledalo).

Struktura i princip rada tipičnog akusto{0}}optičkog modulatora ilustrovani su na slici 1.12:

Kristal je tipičnotopljeni kvarciliteluritno staklo, sa antirefleksnim premazima na optičkim stranama.

Elektro-akustični pretvarač pretvara električni signal visoke-u ultrazvučne talase, uzrokujući periodične varijacije u indeksu prelamanja akusto{2}}optičkog medija, formirajući ekvivalentnu zapreminsku rešetku.

Kada je zadovoljen uslov Braggove difrakcije, laser se difraktira, što rezultira velikim gubitkom šupljine i niskom Q-vrijednošću, sprečavajući laserske oscilacije. Nakon uklanjanja akustičnog polja, gubitak šupljine se brzo smanjuje, formirajući laserski impuls. Periodična modulacija Q-vrijednosti proizvodi impulsni laserski izlaz.

Slika 1.12Struktura i princip rada tipičnog akusto{0}}optičkog modulatora(a) RF isključen (ulazni snop, pretvarač, apsorber, difraktirani snop) (b) RF uključen (ulazni snop, pretvarač, akustični talas, apsorber, difraktirani snop)

Kod akusto-optičkog Q-prekidanja, gubitak u šupljini u jednom-prolazu iznosi približno 50%, a povratni-gubitak oko 75%. Ultrazvučne frekvencije dostižu red od 100 MHz, sa elektro-akustičnim pretvaračem koji se pokreće RF signalima{9}}nivoa u vatima. Veliki modulatori zahtijevaju ~10 W RF snagu i vodeno hlađenje. Kristali s visokim elasto{13}}optičkim koeficijentima mogu smanjiti RF snagu, ali imaju niže pragove optičkog oštećenja od fuzioniranog kvarca. Jedna strana kristala je obično opremljena akustičnim apsorberom za održavanje{15}}akustičkog širenja putujućih talasa. Ugao skretanja snopa u akusto-optičkom Q-prekidanju je približno 5 stepeni, a maksimalna brzina ponavljanja lasera može doseći nivo MHz-pogodan za velike-brzineProdajem UVC svjetlo od 222 nmaplikacije.

Pasivna Q-tehnologija preklapanja

Pasivni Q-switching koristi apsorber koji se može zasićiti da kontroliše gubitak šupljine, sa optičkom transmitantnošću koja varira sa intenzitetom apsorbovanog lasera. Struktura pasivnog Q-prekidanog lasera je prikazana na slici 1.13, zahtijeva samo zasićeni apsorbirajući kristal, što ga čini najjednostavnijom konfiguracijom za kompaktnedaleko UVC svjetlo 222 nm Amazonmoduli.

Zasićujući apsorberi se dijele na transmisivni (transmitantnost raste s optičkom snagom) i reflektirajuće (refleksija raste s optičkom snagom). Radni proces tipičnog transmisionog uređaja: u početku je propusnost niska, što dovodi do velikog gubitka u šupljini; kako se oscilacije lasera povećavaju i optička snaga povećava, transmitans raste do zasićenja, smanjujući gubitak šupljine i generirajući laserski impuls; nakon emitovanja impulsa, snaga unutar šupljine opada, a transmitans također opada, završavajući jedan Q-preklopni ciklus.

Slika 1.13Pasivni Q-prekidani laser (ogledalo, laserski kristal, zasićeni apsorber kristal, izlazno ogledalo).

Uobičajeni zasićeni apsorberi uključujuCr⁴⁺:YAG, V³⁺:YAG, SESAM, olovno sulfidno staklo na bazi kvantnih-tačaka-, grafitne prevlake i jednoslojne ugljične nanocijevi-; posljednja dva se obično koriste za pasivni način-zaključavanja.

Poređenje i izbor različitih Q-metoda prebacivanja

Ukratko, akusto-optičko Q-prebacivanje je pogodnije za lasere male- do srednje-lasere, uključujući i one koji proizvode222nm svjetloza dezinfekciju. Ova knjiga odabire akusto-optički Q-prekidač kao Q-rješenje za prebacivanje za laserski sistem.

Nelinearna frekvencija{0}}Udvostručavajući kristali

Nelinearna optička konverzija frekvencije se oslanja na interakciju između svjetlosti i materije, stvarajući nelinearne efekte drugog{0}}reda kao što su generiranje drugog harmonika (SHG), generiranje sume-frekvencije (SFG), generiranje razlike-frekvencije (DFG) i optičko ispravljanje (OR). Među njima, SHG je najčešća primena: dva fotona talasne dužine λ nelinearno se kombinuju da bi proizveli foton talasne dužine λ/2 koji je neophodan za generisanje222nm UVC svjetlood 444 nm osnove.

Ultraljubičasti laser nelinearne frekvencije{0}}Udvostručavajući kristali

Kina je postigla značajan napredak u nelinearnim ultraljubičastim kristalima. Sljedeći kristali su najčešće korišteni:

LBO (LiB₃O₅, litijum triborat): 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 kristala moguće); širok ugao prihvatanja, visoka optička homogenost, malo hoda-off; fazno usklađivanje podesivo po kutu ili temperaturi; visok prag oštećenja, ne-tečni. Široko se koristi u laserima velike-prosječne-lasere za SHG, THG, generaciju četvrtog harmonika (FOHG), SFG i DFG.

BBO (-BaB₂O₄, beta-barijum borat): Razvio Fujian institut za istraživanje strukture materije, Kineska akademija nauka. Raspon transmisije: 190–2500 nm; visok prag oštećenja, dobra temperaturna stabilnost, širok opseg-podudaranja faza, veliki dvolom, niska disperzija; ali mali ugao prihvatanja, veliki odlazak-, blago rastopljen (zahteva zaštitu premaza). Industrijski se široko koristi u ultraljubičastim laserima za SHG, THG, FOHG, SFG i DFG, uključujući222nm svjetlosistema.

CBO (CsB₃O₅, cezijev triborat): Razvio Fujian institut za istraživanje strukture materije, Kineska akademija nauka. Raspon transmisije: 170–3000 nm; visok prag oštećenja, veliki nelinearni optički koeficijent, mali ugao -odstupanja. Potencijalne primjene u laseru THG.

CLBO (CsLiB₆O₁₀, cezij-litijum borat): Razvio Univerzitet Osaka, Japan. Raspon transmisije: 180–2750 nm; lako se uzgajaju veliki kristali visokog{3}}kvaliteta, mali odlazak-, veliki ugao prihvatanja, nizak dvolom, niski zahtjevi za kvalitetom zraka pumpe; ali veoma tečno (zahteva zaptivanje ili skladištenje na visokoj{5}temperaturi). Uglavnom se koristi u eksperimentalnim istraživanjima.

BIBO (BiB₃O₆, bizmut triborat): Monoklinski biaksijalni kristal. Raspon transmisije: 270–2600 nm; visok efektivni nelinearni koeficijent, visok prag oštećenja, nisko hodanje-isključeno, širok opseg prenosa, ne-delikventan. Obećava u vidljivim i ultraljubičastim područjima, ali teško se uzgaja.

KBBF (KBe₂BO₃F₂, kalij fluoroberilij borat): Razvio Fujian institut za istraživanje strukture materije, Kineska akademija nauka. Duboki-UV nelinearni kristal. Raspon transmisije: 155–3700 nm; umjereni dvolom, širok raspon faznog-podudaranja; može postići najkraću UV SHG talasnu dužinu od 163,4 nm. Vrlo obećavajuće za UV/duboke-UV primjene, uključujućiProdajem UVC svjetlo od 222 nm, ali tehnologija rasta treba poboljšati.

KABO (K₂Al₂B₂O₇, kalijum-aluminijum borat): Razvio Fujian institut za istraživanje strukture materije, Kineska akademija nauka. Raspon transmisije: 180–3600 nm; dvolomnost 0,074, mali efektivni nelinearni koeficijent; prihvatanje i odstupanje-uglovi bolji od BBO, ali inferiorniji od CLBO.

RBBF (RbBe₂BO₃F₂, rubidijum fluoroberilij borat): Izvještava Fujian Institute of Research on the Structure of Mate, Kineska akademija nauka. Raspon transmisije: 160–3550 nm; prevazilazi KBBF-ove poteškoće u rastu i sklonost pucanju, daje velike kristale, otporan na raspadanje-, hemijski stabilan; dubok-UV nelinearne performanse malo inferiornije od KBBF.

Osim toga, novi kristali kao što suYCOB, GdCOB, ReCOB, iLB4se istražuju, ali se ne koriste široko zbog tehnologije rasta i problema s pragom oštećenja.

Odabir nelinearnih frekvencijskih-udvostručavajućih kristala

Za negativne jednoosne nelinearne kristale, metode{0}}faznog usklađivanja uglavnom uključuju ugaono fazno podudaranje i temperaturno fazno podudaranje:

Fazna podudarnost ugla: Postiže se odabirom smjera širenja svjetlosti (kombinirajući polarizaciju i ugao reza kristala). Podijeljen na tip I (o+o→e) i tip II (o+e→e). Sklon snopu -odlaska; ako je upadna svjetlost okomita na kristalnu optičku osu (θ=90 stepen ), hodanje-se može eliminisati.

Podudaranje faze temperature: Koristi temperaturnu osjetljivost kristalnog dvostrukog prelamanja i disperzije kako bi se postiglo fazno podudaranje na θ=90 stepenu.

Izraz efikasnosti konverzije (bez hoda-isključenja, ravni talas, mala-aproksimacija signala): η=P3P1=ϵ0cn1n2n3λ32A8π2deff2L2P2A⋅sinc⁡2[∣Δk∣{L17}]=\\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{|\\Delta k{| L}{2}\\right]η=P1​P3​​=8π2ϵ0​cn1​n2​n3​λ32​A​deff2​L2AP2​​⋅sinc2[2∣Δk∣L​] pri čemu je deffd_{\\text{eff}}neefektivni koeficijent, n koef. n_2n1​,n2​ su indeksi prelamanja osnovne svjetlosti, n3n_3n3​ je indeks loma svjetlosti sume-frekvencije, LLL je optička dužina putanje u kristalu, Δk\\Delta kΔk je fazna neusklađenost, a P2/AP_2/AP2​/Aden je osnovna snaga svjetlosti.

Da poboljšate efikasnost konverzije, odaberite kristale sa visokim deffd_{\\text{eff}}deff​ ispod Δk=0\\Delta k=0Δk=0 (fazno podudaranje), na odgovarajući način povećajte osnovnu gustinu snage svjetlosti i produžite dužinu kristala-kritičnu za efikasnost222nm UVC svjetlogeneracije u praktičnim sistemima.