Προοπτικές εφαρμογής λέιζερ 222 nm στον τομέα της κατασκευής φωτονικών συσκευών 4
Πυκνότητα ισχύος και επιλογή κρυστάλλων με κατάλληλα μήκη
Κατά την επιλογή κρυστάλλων διπλασιασμού μη γραμμικής συχνότητας-, εκτός από την εξέταση των προαναφερθέντων παραγόντων επιρροής, θα πρέπει γενικά να πληρούνται και οι ακόλουθες απαιτήσεις:
① Μέτρια τιμή διπλής διάθλασης (όταν υιοθετείται αντιστοίχιση φάσης γωνίας, θα πρέπει να υπάρχει γωνία αντιστοίχισης φάσης).
② Η μικρότερη δυνατή βάδιση-εκτός γωνίας.
③ Όσο το δυνατόν μεγαλύτερη θερμοκρασία, γωνία και εύρος ζώνης αποδοχής φάσματος.
④ Ένα ευρύ διαφανές εύρος μήκους κύματος που δεν επηρεάζει τη μη γραμμική απόδοση μετατροπής (ειδικά για την υπεριώδη ζώνη).
⑤ Ένα σχετικά υψηλό όριο ζημιάς.
⑥ Εύκολο στην καλλιέργεια και χαμηλό κόστος προετοιμασίας.
⑦ Εξαιρετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες και μηχανική σταθερότητα.
Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί κυρίως κρυστάλλους διπλασιασμού μη γραμμικής συχνότητας-για τη δημιουργία της δεύτερης αρμονικής, συμπεριλαμβανομένων εφαρμογών όπου το φως UVC 222 nm μακριά θα μπορούσε να ωφεληθεί από τέτοιες εξελίξεις. Στη διαδικασία διπλασιασμού συχνότητας με μη γραμμικούς κρυστάλλους-διπλασιασμού συχνότητας, για να βελτιωθεί η απόδοση διπλασιασμού συχνότητας-, είναι απαραίτητη προϋπόθεση το φως θεμελιώδους συχνότητας και το διπλό φως συχνότητας-να ικανοποιούν την συνθήκη αντιστοίχισης φάσης. Υπάρχουν δύο μέθοδοι για την επίτευξη αντιστοίχισης φάσης: κρίσιμη (γωνία) και μη-ταίριασμα φάσης κρίσιμης (θερμοκρασίας). Συνήθως, η αντιστοίχιση φάσης θερμοκρασίας μπορεί να επιτύχει υψηλότερη απόδοση διπλασιασμού-συχνότητας και καλύτερη ποιότητα δέσμης, αλλά απαιτεί ένα κουτί ελέγχου θερμοκρασίας, με αποτέλεσμα πολύπλοκη δομή, μεγάλο όγκο και υψηλό κόστος. Επομένως, σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιούνται μη γραμμικοί κρύσταλλοι που ταιριάζουν με τη φάση της γωνίας. Τα χαρακτηριστικά των κρυστάλλων διπλασιασμού μη γραμμικής συχνότητας{12}}που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία μπλε φωτός 457 nm και υπεριώδους φωτός βάθους 222 nm, όπως φως 222 nm, συνοψίζονται στον Πίνακα 1.7.
Πίνακας 1.7 Χαρακτηριστικά της μη γραμμικής συχνότητας-Διπλασιασμός κρυστάλλων με δυνατότητα δημιουργίας λέιζερ 457 nm και 222 nm
| Κρύσταλλο | Παράμετρος απόδοσης | BiBO | LBO | BBO | KBBF | RBBF |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Μη γραμμικός συντελεστής | 457 nm | 3.44 | 0.803 | 2.01 | 0.436 | 0.412 |
| 222 nm | - | - | 1.38 | 0.387 | 0.344 | |
| Γωνία Αποδοχής | 457 nm | 1.13 | 4.56 | 0.89 | 1.43 | 1.54 |
| 222 nm | - | - | 0.36 | 0.47 | 0.52 | |
| Περπατήστε-από τη γωνία /mrad | 457 nm | 44.99 | 12.48 | 61.76 | 43.36 | 40.04 |
| 222 nm | - | - | 75.68 | 66.05 | 58.72 | |
| Γωνία αντιστοίχισης φάσης/(°) | 457 nm | 159,6 (θ) 90,0 (φ) | 90,0(θ) 21,7(φ) | 25,8(θ) | 22,0(θ) | 23,7(θ) |
| 222 nm | - | - | 61,4 (θ) | 43,9(θ) | 48.1 (θ) | |
| Υγροσκοπικότητα | Δύσκολο το υγροσκόπιο | Ελαφρώς υγροσκοπικό | Ελαφρώς υγροσκοπικό | Μη-υγροσκοπικό | Μη-υγροσκοπικό | |
| Εύρος ζώνης μετάδοσης/nm | 286~2500 | 160~2600 | 185~2600 | 147~3500 | 165~3500 |
Το τετραβορικό λίθιο LiB3O5 (LBO) και το βορικό βισμούθιο BiB3O5 (BiBO) είναι δύο εμπορικοί μη γραμμικοί κρύσταλλοι διπλασιασμού συχνότητας-που μπορούν να πραγματοποιήσουν διπλασιασμό συχνότητας στην κοντινή-υπέρυθρη ζώνη για να δημιουργήσουν μπλε φως, υποστηρίζοντας δυνητικά προϊόντα όπως το far 2222nm. Στη δεύτερη-αρμονική γενιά (SHG) του λέιζερ 914 nm, αν και το BiBO έχει μεγάλο μη γραμμικό συντελεστή 3,44 μ.μ./V, η μεγάλη γωνία βάδισης-του 44,99 mrad οδηγεί σε κακή ποιότητα δέσμης του ληφθέντος φωτεινού σημείου, μειώνοντας έτσι τη συχνότητα-doub. Επομένως, ο κρύσταλλος BiBO δεν χρησιμοποιείται σε αυτό το πείραμα.
Τεχνολογία λέιζερ βαθιάς υπεριώδους 222 nm-State
Το LBO επιλέχθηκε ως ο δεύτερος-κρύσταλλος αρμονικής γενιάς σε αυτήν τη μελέτη επειδή έχει μικρή γωνία βάδισης-από 12,48 mrad, καθιστώντας το ιδανικό για τη δημιουργία φωτός UVC 222 nm. Αν και το LBO έχει μικρό μη γραμμικό συντελεστή 0,803pm/V, ο σχετικά μικρός μη γραμμικός συντελεστής μπορεί να αντισταθμιστεί επεκτείνοντας το μήκος του LBO. Επί του παρόντος, οι συνήθως χρησιμοποιούμενοι μη γραμμικοί κρύσταλλοι για τον διπλασιασμό της συχνότητας υπεριώδους είναι κυρίως οι κρύσταλλοι β−BaB2O4 (BBO) και CsLiB6O10 (CLBO). Μεταξύ αυτών, ο κρύσταλλος CLBO έχει σχετικά υψηλό μη γραμμικό συντελεστή, μικρή γωνία βάδισης-και σχεδόν καμία απορρόφηση λέιζερ στη ζώνη υπεριώδους ακτινοβολίας, γεγονός που ευνοεί τη παραγωγή υπεριώδους φωτός υψηλής απόδοσης, συμπεριλαμβανομένων παραλλαγών όπως το φως UVC 222 nm προς πώληση. Ωστόσο, ο κρύσταλλος CLBO δεν μπορεί να επιτύχει αντιστοίχιση φάσης στα 457 nm (για δεύτερη-αρμονική γενιά). Οι κρύσταλλοι RbBe2BO3F2 (RBBF) και KBe2BO3F2 (KBBF) μπορούν επίσης να δημιουργήσουν λέιζερ 222 nm μέσω του διπλασιασμού συχνότητας, αλλά οι αποτελεσματικοί μη γραμμικοί συντελεστές τους είναι μικροί και η τεχνολογία ανάπτυξής τους πρέπει ακόμα να βελτιωθεί. Δεν έχουν δημιουργήσει εμπορικά προϊόντα, κάτι που δεν ευνοεί την επίτευξη υψηλής απόδοσης υπεριώδους λέιζερ, σε αντίθεση με πιο προσιτές επιλογές, όπως το μακρινό φως UVC 222 nm amazon. Σε σύγκριση με άλλους κρυστάλλους, ο κρύσταλλος BBO είναι ένας εξαιρετικός μη γραμμικός κρύσταλλος με μεγάλο αποτελεσματικό μη γραμμικό συντελεστή, υψηλό κατώφλι ζημιάς και μεγάλο εύρος μήκους κύματος μετάδοσης φωτός. Η οπτική του απόδοση είναι πολύ σταθερή. Είναι ένας εμπορικός κρύσταλλος που χρησιμοποιείται ευρέως για τη δημιουργία υπεριώδους και βαθιάς υπεριώδους λέιζερ επί του παρόντος, όπως φως 222 nm, και η τιμή του είναι μέτρια. Επομένως, σε αυτήν την ερευνητική εργασία, το BBO επιλέγεται ως ο τέταρτος-κρύσταλλος αρμονικής γενιάς. Η λεπτομερής θεωρία της μη γραμμικής οπτικής και ο σχεδιασμός παραμέτρων των κρυστάλλων διπλασιασμού συχνότητας-LBO και BBO θα εισαχθούν λεπτομερώς στο Κεφάλαιο 4.
Με βάση την παραπάνω ανάλυση και επιλογή διαφορετικών μέσων απολαβής λέιζερ, μεθόδων άντλησης LD, κοιλοτήτων συντονισμού, μεθόδων μεταγωγής Q-και χαρακτηριστικών διπλασιασμού κρυστάλλου μη γραμμικής συχνότητας, προτείνεται η τεχνική διαδρομή αυτής της εργασίας: LD end-αντλητικό Nd:YVO₄ και ακουστική τεχνολογία{4} για την πραγματοποίηση{4} παλμική λειτουργία λέιζερ 914 nm. Η κοιλότητα συντονισμού λέιζερ σε σχήμα AV και ο κρύσταλλος διπλασιασμού της συχνότητας LBO-χρησιμοποιούνται για τη δεύτερη αρμονική παραγωγή εντός κοιλότητας για τη λήψη εξόδου λέιζερ 457 nm. Στη συνέχεια, η μέθοδος εστίασης κρυστάλλου BBO και φακού χρησιμοποιείται για τον διπλασιασμό της συχνότητας εξωκοιλότητας του μπλε φωτός 457 nm για την επίτευξη εξόδου λέιζερ βαθιάς υπεριώδους ακτινοβολίας 222 nm, η οποία θα μπορούσε να εμπνεύσει εξελίξεις σε εφαρμογές φωτός UVC 222 nm.
Εικόνα 1.15 Σχηματικό διάγραμμα της βασικής δομής ενός λέιζερ στερεάς κατάστασης-για την πραγματοποίηση λέιζερ βαθιάς υπεριώδους ακτινοβολίας 222 nm
(Περιεχόμενο διαγράμματος: Πηγή αντλίας LD → Σύστημα σύζευξης → M1 → Nd:YVO4 → Acousto-optic Q-διακόπτης → M2 (LBO) → M → M3 → BBO → M4 → 222nm διαδρομής → 222nm, με 9 μονοπάτια laser
Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή
1.5 Κύρια περιεχόμενα αυτού του βιβλίου
Αυτό το βιβλίο εισάγει κυρίως την τεχνολογία λέιζερ στερεάς-κατάστασης για τη δημιουργία υπεριώδους λέιζερ βάθους 222 nm μέσω της τέταρτης-αρμονικής γενιάς της φασματικής γραμμής 914 nm του συστήματος οιονεί-τριών- επιπέδων, υψηλής απόδοσης που σχετίζεται με την αγορά u22c. φως προς πώληση. Το βιβλίο αποτελείται από 6 κεφάλαια, και η δομή και τα κύρια περιεχόμενα έχουν ως εξής.
Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή
Παρουσιάζει το ερευνητικό υπόβαθρο και τη σημασία των λέιζερ βαθιάς υπεριώδους ζώνης 222 nm, το ιστορικό ανάπτυξης όλων των λέιζερ-στερεάς-κατάστασης και εστιάζει στις κύριες τεχνολογίες υλοποίησης και επισκόπηση ανάπτυξης όλων των-λέιζερ βαθιάς υπεριώδους-στερεάς κατάστασης. Με βάση αυτό, προτείνεται η τεχνική διαδρομή που υιοθετείται σε αυτό το βιβλίο και επισημαίνονται τα κύρια προβλήματα αυτού του σχήματος και η ερευνητική κατεύθυνση αυτού του βιβλίου.
Κεφάλαιο 2 Θεωρία και Ανάλυση Θερμικών Επιδράσεων του λέιζερ Nd:YVO4 914nm
Ξεκινώντας από την εξίσωση ρυθμού λέιζερ οιονεί-τριών-επιπέδων σε σταθερή κατάσταση, εισάγεται το φαινόμενο επαναρρόφησης του κρυστάλλου λέιζερ Nd:YVO4, η επίδραση της αναλογίας μεγέθους του σημείου της αντλίας προς την ακτίνα μέσης της ταλαντούμενης δέσμης και το μήκος κρυστάλλου στην απόδοση λέιζερ 914 nm. Ξεκινώντας από τη θεωρία αγωγιμότητας θερμότητας, καθιερώνεται ένα μοντέλο λέιζερ αντλούμενου από άκρο LD-914nm Nd:YVO4. Όταν η κατανομή φωτός της αντλίας είναι Gaussian, η λύση λαμβάνεται με αναλυτική μέθοδο. Συγκρίνονται οι αναλογίες των τριών παραγόντων, δηλαδή της διαφοράς δείκτη διάθλασης θερμοκρασίας, της διπλής διάθλασης τάσης και της θερμικής διαστολής της ακραίας όψης κρυστάλλου, στη δημιουργία του θερμικού φαινομένου του φακού μέσα στο μέσο απολαβής και η θερμική εστιακή του απόσταση μετράται πειραματικά με τη μέθοδο επίπεδης-παράλληλης κοιλότητας συντονισμού.
Κεφάλαιο 3 Acousto-Optic Q-Switching Technology and V-Shaped Resonant Cavity Design
Δημιουργείται ένα θεωρητικό μοντέλο της εξίσωσης ρυθμού acousto-οπτικής Q-με μεταγωγή 914nm Nd:YVO4 και αναλύονται οι παράγοντες που επηρεάζουν το πλάτος του παλμού λέιζερ εξόδου. Μέσω αριθμητικών υπολογισμών και προσομοίωσης, η σχέση μεταξύ του αριθμού των σωματιδίων στο ανώτερο και κατώτερο ενεργειακό επίπεδο, το πλάτος παλμού και την ενέργεια απλού παλμού του ακουστικού-οπτικού Q-εναλλαγής λέιζερ 914 nm Nd:YVO4 και της μελετημένης ισχύος και επανάληψης της συχνότητας της αντλίας. Προτείνεται μια τεχνολογία αυτο-αυτοσυνεπούς ελέγχου που χρησιμοποιεί θερμικές επιδράσεις στην ποιότητα της δέσμης για τον σχεδιασμό των παραμέτρων της κοιλότητας συντονισμού. Χρησιμοποιώντας την τυπική θεωρία μήτρας μετάδοσης ABCD και τις συνθήκες σταθερότητας της κοιλότητας συντονισμού, αναλύεται και συζητείται λεπτομερώς η διακύμανση του μεγέθους της ταλαντευόμενης κηλίδας σε διαφορετικές θέσεις στην τρι{11}}αναδιπλωμένη κοιλότητα με καθρέφτη του λέιζερ με το μήκος της κοιλότητας του υπο-βραχίονα.
Κεφάλαιο 4 Μη γραμμική συχνότητα-Θεωρία διπλασιασμού και συχνότητα-Διπλασιασμός σχεδίασης κρυστάλλων
Ξεκινώντας από τις εξισώσεις του Maxwell, ο μηχανισμός δημιουργίας μη γραμμικών οπτικών επιδράσεων, καθώς και οι συνθήκες αντιστοίχισης φάσης για διπλασιασμό κρυσταλλικής συχνότητας τύπου Ι και τύπου ΙΙ, αναλύονται συστηματικά μέσω του μοντέλου Lorentz, της εξίσωσης δείκτη διάθλασης και της θεωρίας αλληλεπίδρασης μεταξύ ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και υλικών ουσιών. Σε συνδυασμό με την εξίσωση διασποράς και την έκφραση του ενεργού μη γραμμικού συντελεστή, οι γωνίες αντιστοίχισης φάσης και οι αποτελεσματικοί μη γραμμικοί συντελεστές των κρυστάλλων διπλασιασμού συχνότητας-LBO/BBO που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία λέιζερ 457 nm και 222 nm υπολογίζονται αριθμητικά.
Τεχνολογία λέιζερ βαθιάς υπεριώδους 222 nm-State
Κεφάλαιο 5 Πείραμα Βαθύς Υπεριώδους Στερεού 222nm-Λέιζερ κατάστασης
Με βάση τη θεωρητική έρευνα και τον σχεδιασμό παραμέτρων στα προηγούμενα κεφάλαια, πραγματοποιείται το πείραμα βελτιστοποίησης του laser 222nm. Πρώτον, λαμβάνοντας υπόψη την αντιστοίχιση τρόπου λειτουργίας, το πείραμα βελτιστοποίησης του συνεχούς λέιζερ 457 nm πραγματοποιείται για να ληφθεί συνεχής έξοδος λέιζερ 457 nm με σχετικά υψηλή ισχύ και καλή ποιότητα δέσμης. Στη συνέχεια, επιλέγοντας έναν φακό εστίασης με κατάλληλη εστιακή απόσταση, το μήκος του κρυστάλλου BBO και τις θέσεις τοποθέτησής τους, πραγματοποιείται διπλασιασμός συχνότητας εστιασμένης στην εξωκοιλότητα λέιζερ 457 nm για τη λήψη συνεχούς λέιζερ 222 nm. Με βάση το συνεχές λέιζερ 457 nm, σε συνδυασμό με την τεχνολογία μεταγωγής acousto-οπτικής Q{10}}, η συχνότητα διαμόρφωσης αλλάζει για να βρεθεί η έξοδος παλμικού λέιζερ 457 nm με τη μέγιστη ισχύ αιχμής. Στη συνέχεια, εστιάζεται από έναν εξωκοιλιακό φακό και παράγεται παλμικό λέιζερ 222 nm μέσω του διπλασιασμού συχνότητας από τον κρύσταλλο BBO. Επιπλέον, διεξάγεται μια πειραματική μελέτη για την αδρανοποίηση βακτηρίων από παλμικό λέιζερ 222 nm, το οποίο ευθυγραμμίζεται με τις πρακτικές χρήσεις του φωτός UVC 222 nm μακριά και του φωτός 222 nm.
