222nm lāzera pielietojuma perspektīvas fotonisko ierīču ražošanas jomā 3

222nm lāzera pielietojuma perspektīvas fotonisko ierīču ražošanas jomā 3
Electro{0}}Optic Q-pārslēgšanas tehnoloģija

Elektro-optiskā Q-pārslēdzamā lāzera struktūra ir parādīta 1.9. attēlā. Elektro-optiskā Q-pārslēgšana izmanto elektro-optisko modulatoru (elektro-optisko Q-slēdzi), lai kontrolētu dobuma zudumu. Kad elektro-optiskajam modulatoram tiek pieslēgts spriegums, elektro-optiskais efekts (Pokelsa efekts) modulē gaismas polarizācijas stāvokli. Turklāt polarizatora vai polarizējošā stara sadalītāja ievietošana rezonanses dobumā ļauj kontrolēt lāzera svārstību zudumus. Tādējādi elektro-optiskā Q-pārslēgšana nodrošina Q-pārslēgšanu, ko aktivizē elektrisks signāls, tādējādi radot lāzera impulsus. Lietojumprogrammām, kurām nepieciešama precīza dziļa{17}}UV izvade, piemēram,Pārdodu 222 nm tālu UVC gaismu, šī tehnoloģija nodrošina stabilu impulsa kontroli.

1.9.attēlsElektro-optiskā Q-pārslēdzamā lāzera uzbūve (spogulis, lāzera kristāls, polarizators, elektro-optiskais Q-slēdzis, izejas spogulis).

Ierīci, kas modulē gaismas polarizācijas stāvokli, izmantojot Pokelsa efektu, sauc par Pokelsa šūnu. Pokelsa šūnas struktūra ir parādīta 1.10. attēlā. Pokelsa šūnu, kurā elektriskā lauka virziens ir paralēls lāzera svārstību virzienam, sauc par garenisko ierīci; tādu, kur elektriskais lauks ir perpendikulārs lāzera svārstību virzienam, sauc par šķērsvirzienu. Garenvirziena ierīcē elektrodu atstatums nav atkarīgs no skaidrās apertūras izmēra, un nepieciešamais spriegums arī nav atkarīgs no apertūras, tāpēc tas ir piemērots lielu -apertūras Pockels šūnu izgatavošanai. Šķērsvirziena ierīcē elektrodu atstatums ir atkarīgs no apertūras lieluma, tāpēc tas nav piemērots lielām-apertūras Pockels šūnām, bet var zināmā mērā samazināt spriegumu mazās{6}}atvēruma lietojumprogrammās.

1.10. attēlsPockels šūnu struktūraa) Garenvirziena ierīce (elektro{0}}optiskais materiāls, elektriskais signāls) (b) Šķērsvirziena ierīce (elektro{0}}optiskais materiāls, elektriskais signāls)

Dziļa ultravioletā 222 nm cietvielu{1}}lāzera tehnoloģija

Spriegums, kas tiek pievadīts Pokelsa šūnai, kas rada fāzes starpību π starp izejas un ieejas gaismu, tiek saukts par pus-viļņa spriegumu (λ/2 spriegumu), kas parasti svārstās no simtiem līdz tūkstošiem voltu. Spriegumu, kas rada fāzu starpību π/2, sauc par ceturkšņa-viļņa spriegumu (λ/4 spriegums). Piemērojot šos spriegumus Pockels šūnai, tiek iegūti efekti, kas līdzvērtīgi attiecīgajām viļņu plāksnēm. Elektro-optiskajā Q-slēdžā, ievietojot polarizējošo staru sadalītāju un pieliekot ceturtdaļas{10}}viļņa spriegumu, gaisma divreiz turp un atpakaļ iziet cauri Pokelsa šūnai, pagriežot polarizācijas virzienu par 90 grādiem. Polarizācijas staru sadalītājs bloķē gaismas izplatīšanos, tādējādi mainot dobuma zudumu. Šis princips ir ļoti svarīgs, lai radītu augstas{14}}maksimālās{15}}jaudas impulsustālu UVC gaisma 222 nm Amazonsaderīgas dezinfekcijas sistēmas.

Elektro{0}}optisko Q-slēdžu izgatavošanai tiek izmantoti daudzi kristāli:

Piemēram,LiNbO₃kristāliem ir nelielas pjezoelektrisko koeficientu atšķirības un plašs temperatūras pielāgošanās diapazons (-50 līdz 60 grādi), tāpēc tos parasti izmanto militāros lietojumos.

KD₂PO4 (KD*P)unKDPir komerciāli izplatīti kristāli. Garenvirziena ierīces parasti tiek izmantotas, lai novērstu aiziešanas{1}}efektus. KDP pjezoelektriskais koeficients ir jutīgs pret temperatūru, ir pakļauts depolarizācijai termiski izraisītas divkāršas laušanas dēļ, ko var kompensēt, izmantojot polarizācijas rotatoru un divus elektro-optiskos kristālus.

LGSun nelineārie kristāli piedāvā tādas priekšrocības kā izturība pret šķīdināšanu un plašas pārraides joslas, parādot lielu potenciālu elektro{0}}optisko Q-slēdžu ražošanā222nm gaismaavoti.

Periodiski polēts litija niobāts (PPLN)kristāli var darboties kā līdzvērtīgi Braga modulatori. Kā Q-pārslēgšanas ierīces, tām ir zems spriegums (<200 V) and repetition rates up to 10 kHz, but their damage threshold needs improvement.

Pašlaik tradicionālie elektro-optiskie kristāli ir ierobežoti ar atkārtošanās ātrumu, kas parasti ir mazāks par 10 kHz tādu faktoru dēļ kā vadītspēja un elektro-optiskie koeficienti. Jaunie kristāli, piemēram, PPLN, ir nenobrieduši un nevar uzturēt lielu{4}}jaudas nepārtrauktu darbību. tomērRTP, BBO, unLGSvar sasniegt augstu atkārtošanās ātrumu (apmēram 100 kHz): RTP ir liels elektro-optiskais koeficients un ceturtdaļas-viļņa spriegums ir tikai 1 kV; BBO ir mazs elektro-optiskais koeficients un ceturtdaļas-viļņu spriegums līdz 3 kV; LGS uzrāda ievērojamu optisko aktivitāti, kas sarežģī izgatavošanu.

1.6. tabulaVairāku elektro{0}}optisko Q-pārslēgšanas ierīču kristālu veiktspējas salīdzinājums [99–100]

Acousto{0}}Optic Q-pārslēgšanas tehnoloģija

Akustiskās -optiskās Q-pārslēgšanas mehānisms ietver ultraskaņas viļņus, kas izplatās caur akustisko-optisko vidi, lai novirzītu lāzera staru, tādējādi kontrolējot dobuma zudumu. Akustiskā-optiskā Q-pārslēdzamā lāzera struktūra ir parādīta 1.11. attēlā. Salīdzinājumā ar elektro-optisko Q-pārslēgšanu, tai ir nepieciešams tikai akustiskais-optiskais modulators (akusto-optiskais Q-slēdzis), lai panāktu impulsu modulāciju, tādējādi iegūstot kompaktāku struktūru, kas ir ideāli piemērota integrētai sistēmai.222nm UVC gaismasistēmas.

1.11.attēlsAkustiskā-optiskā Q-pārslēdzamā lāzera struktūra (spogulis, lāzera kristāls, akustiskais-optiskais Q-slēdzis, izejas spogulis).

Tipiska akustiskā-optiskā modulatora struktūra un darbības princips ir parādīti 1.12. attēlā:

Kristāls parasti irkausēts kvarcsvaitelūrīta stikls, ar pretatstarošanas pārklājumiem uz optiskajām virsmām.

Elektro-akustiskais devējs pārvērš augstas-frekvences elektrisko signālu ultraskaņas viļņos, izraisot periodiskas akustiskās-optiskās vides refrakcijas indeksa izmaiņas, veidojot līdzvērtīgu tilpuma režģi.

Kad Brega difrakcijas nosacījums ir izpildīts, lāzers tiek izkliedēts, kā rezultātā rodas liels dobuma zudums un zema Q{0}}vērtība, novēršot lāzera svārstības. Pēc akustiskā lauka noņemšanas dobuma zudums strauji samazinās, veidojot lāzera impulsu. Periodiska Q-vērtības modulācija rada impulsa lāzera izvadi.

1.12. attēlsTipiska akustiskā-optiskā modulatora struktūra un darbības principsa) RF izslēgts (ieejas stars, devējs, absorbētājs, izkliedētais stars) b) RF ieslēgts (ieejas stars, devējs, akustiskais vilnis, absorbētājs, izkliedētais stars)

Izmantojot akustisko-optisko Q-pārslēgšanu, vienas-pārejas dobuma zudums ir aptuveni 50%, un turp un atpakaļ{4}}zaudējums ir aptuveni 75%. Ultraskaņas frekvences sasniedz 100 MHz, un elektro-akustisko devēju darbina vatu-līmeņa RF signāli. Lieliem modulatoriem nepieciešama ~10 W RF jauda un ūdens dzesēšana. Kristāli ar augstiem elasto-optiskajiem koeficientiem var samazināt RF jaudu, taču tiem ir zemāki optisko bojājumu sliekšņi nekā kausētam kvarcam. Viena kristāla puse parasti ir aprīkota ar akustisko absorbētāju, lai uzturētu ceļojošo{15}}viļņu akustisko izplatīšanos. Stara novirzes leņķis akustiskajā-optiskajā Q-pārslēgšanā ir aptuveni 5 grādi, un maksimālais lāzera atkārtošanās ātrums var sasniegt MHz līmeni,{20}}piemērots lielam{21}}ātrumam.Pārdodu 222 nm tālu UVC gaismulietojumprogrammas.

Pasīvā Q{0}}pārslēgšanas tehnoloģija

Pasīvā Q{0}}pārslēgšana izmanto piesātināmu absorbētāju, lai kontrolētu dobuma zudumu, un optiskā caurlaidība mainās atkarībā no absorbētā lāzera intensitātes. Pasīvā Q-pārslēgtā lāzera struktūra ir parādīta 1.13. attēlā, un tam ir nepieciešams tikai piesātināms absorbcijas kristāls, padarot to par vienkāršāko konfigurāciju kompaktam.tālu UVC gaisma 222 nm Amazonmoduļi.

Piesātinātos absorbētājus iedala caurlaidīgajos (caurlaidības koeficients palielinās līdz ar optisko jaudu) un atstarojošos (atstarošanas koeficients palielinās līdz ar optisko jaudu). Tipiskas transmisīvās ierīces darba process: sākotnēji caurlaidība ir zema, kas izraisa lielu dobuma zudumu; palielinoties lāzera svārstībām un palielinoties optiskajai jaudai, caurlaidība palielinās līdz piesātinājumam, samazinot dobuma zudumu un radot lāzera impulsu; pēc impulsa emisijas iekšējā dobuma jauda samazinās, un arī caurlaidība samazinās, pabeidzot vienu Q-pārslēgšanas ciklu.

1.13.attēlsPasīvais Q{0}}pārslēgtais lāzers (spogulis, lāzera kristāls, piesātināmais absorbcijas kristāls, izejas spogulis).

Kopējie piesātināmie absorbētāji ietverCr⁴⁺:YAG, V³⁺:YAG, SESAM, kvantu{0}}punktu-svina sulfīda stikls, grafīta pārklājumi un vienas -sienu oglekļa nanocaurules; pēdējie divi parasti tiek izmantoti pasīvā režīma -bloķēšanai.

Dažādu Q{0}}pārslēgšanas metožu salīdzinājums un izvēle

Rezumējot, akustiskā-optiskā Q-pārslēgšana ir vairāk piemērota zemas- līdz vidējas-jaudas lāzeriem, tostarp tiem, kas ražo222nm gaismadezinfekcijai. Šajā grāmatā ir atlasīts akustiskais-optiskais Q-slēdzis kā Q-pārslēgšanas risinājums lāzersistēmai.

Nelineāra frekvence{0}}dubultošanās kristāli

Nelineārā optiskā frekvences pārveidošana balstās uz gaismas un matērijas mijiedarbību, radot otrās -kārtas nelineārus efektus, piemēram, otrās harmonikas ģenerēšanas (SHG), summas-frekvenču ģenerēšanas (SFG), starpības-frekvenču ģenerēšanas (DFG) un optiskās taisnošanas (OR). Starp tiem SHG ir visizplatītākais lietojums: divi fotoni ar viļņa garumu λ nelineāri apvienojas, veidojot fotonu ar viļņa garumu λ/2, kas ir nepieciešams ģenerēšanai.222nm UVC gaismano 444 nm pamatiem.

Ultravioletā lāzera nelineārās frekvences{0}}dubultošanās kristāli

Ķīna ir sasniegusi ievērojamu progresu nelineāro ultravioleto kristālu jomā. Parasti tiek izmantoti šādi kristāli:

LBO (LiB3O5, litija triborāts): Developed by the Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences. Transmission range: 160–2600 nm; easy to grow (>iespējami 5 cm³ kristāli); plats pieņemšanas leņķis, augsta optiskā viendabība, zema attāluma-izņemšana; fāzes saskaņošana regulējama pēc leņķa vai temperatūras; augsts bojājumu slieksnis, -nešķīstošs. Plaši izmanto augstas -vidējās-jaudas lāzeros SHG, THG, ceturtās harmonikas paaudzes (FOHG), SFG un DFG.

BBO (-BaB₂O₄, beta-bārija borāts): izstrādājis Ķīnas Zinātņu akadēmijas Fudzjanas Matērijas struktūras pētniecības institūts. Raidīšanas diapazons: 190–2500 nm; augsts bojājuma slieksnis, laba temperatūras stabilitāte, plaša fāzu-atbilstības josla, liela dubultlaušana, zema dispersija; bet mazs pieņemšanas leņķis, liela gājiena-izstāšanās, nedaudz šķīstoša (nepieciešama pārklājuma aizsardzība). Rūpnieciski plaši izmanto ultravioletajos lāzeros SHG, THG, FOHG, SFG un DFG, tostarp222nm gaismasistēmas.

CBO (CsB3O5, cēzija triborāts): izstrādājis Ķīnas Zinātņu akadēmijas Fudzjanas Matērijas struktūras pētniecības institūts. Raidīšanas diapazons: 170–3000 nm; augsts bojājuma slieksnis, liels nelineārs optiskais koeficients, mazs nobīdes-leņķis. Iespējamie lietojumi lāzera THG.

CLBO (CsLiB₆O₁0, cēzija litija borāts): Izstrādāja Osakas Universitāte, Japāna. Raidīšanas diapazons: 180–2750 nm; viegli audzējami lieli augstas -kvalitatīvi kristāli, mazs attālums-, liels pieņemšanas leņķis, zema divkāršā laušana, zemas sūkņa stara kvalitātes prasības; bet ļoti šķīstošs (nepieciešams aizzīmogot vai glabāt augstā temperatūrā{5}}). Pārsvarā izmanto eksperimentālos pētījumos.

BIBO (BiB3O₆, bismuta triborāts): Monoklīnisks biaksiāls kristāls. Raidīšanas diapazons: 270–2600 nm; augsts efektīvais nelineārais koeficients, augsts bojājuma slieksnis, zems attālums-, plata pārraides josla, ne-šķīstošs. Perspektīvs redzamajos un ultravioletajos reģionos, bet grūti audzējams.

KBBF (KBe2BO3F2, kālija fluorberilija borāts): izstrādājis Ķīnas Zinātņu akadēmijas Fudzjanas Matērijas struktūras pētniecības institūts. Dziļi-UV nelineāri kristāli. Raidīšanas diapazons: 155–3700 nm; mērena dubultlaušana, plašs fāžu{5}}atbilstības diapazons; var sasniegt īsāko UV SHG viļņa garumu 163,4 nm. Ļoti daudzsološs UV/dziļai{8}}UV lietošanai, tostarpPārdodu 222 nm tālu UVC gaismu, bet izaugsmes tehnoloģijai ir nepieciešami uzlabojumi.

KABO (K₂Al2B2O₇, kālija alumīnija borāts): izstrādājis Ķīnas Zinātņu akadēmijas Fudzjanas Matērijas struktūras pētniecības institūts. Raidīšanas diapazons: 180–3600 nm; divkāršā laušana 0,074, mazs efektīvais nelineārais koeficients; pieņemšana un atkāpšanās-leņķi ir labāki nekā BBO, bet zemāki par CLBO.

RBBF (RbBe₂BO3F2, rubīdija fluorberilija borāts): ziņo Ķīnas Zinātņu akadēmijas Fudzjanas Matērijas struktūras pētniecības institūts. Raidīšanas diapazons: 160–3550 nm; pārvar KBBF augšanas grūtības un plaisāšanas tendenci, iegūst lielus kristālus, izturīgs pret šķīdināšanu, ķīmiski stabils; dziļa-UV nelineārā veiktspēja nedaudz zemāka par KBBF.

Turklāt jauni kristāli, piemēram,YCOB, GdCOB, ReCOB, unLB4tiek pētīti, bet nav plaši izmantoti izaugsmes tehnoloģiju un bojājumu sliekšņa problēmu dēļ.

Nelineāro frekvenču{0}}dubultojošo kristālu izvēle

Negatīviem vieniāliem nelineāriem kristāliem fāzes{0}}saskaņošanas metodes galvenokārt ietver leņķa fāzes saskaņošanu un temperatūras fāzes saskaņošanu:

Leņķa fāzes saskaņošana: sasniegts, izvēloties gaismas izplatīšanās virzienu (apvienojot polarizāciju un kristāla griezuma leņķi). Iedalīts I (o+o→e) un II (o+e→e) tipā. nosliece uz staru staigāt-; ja krītošā gaisma ir perpendikulāra kristāla optiskajai asij (θ=90 grāds ), gājienu-var novērst.

Temperatūras fāzes saskaņošana: izmanto kristāla dubultlaušanas un dispersijas temperatūras jutību, lai panāktu fāzes saskaņošanu pie θ=90 grādiem.

Reklāmguvumu efektivitātes izteiksme (bez gājiena-izslēgšanās, plaknes vilnis, maza-signāla tuvināšana): η=P3P1=ϵ0cn1n2n3λ32A8π2deff2L2P2A⋅sinc⁡2[∣Δk∣L2]{7}P3=\\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 \\operatora nosaukums{sinc}^2\\left[\\frac{| L} n_2n1​, n2​ ir pamata gaismas laušanas koeficienti, n3n_3n3​ ir summas-frekvences gaismas laušanas indekss, LLL ir optiskā ceļa garums kristālā, Δk\\Delta kΔk ir fāzes neatbilstība un P2/AP_2/AP2​/A ir pamata gaismas jauda/A.

Lai uzlabotu konversijas efektivitāti, atlasiet kristālus ar augstu deffd_{\\text{eff}}deff​ zem Δk=0\\Delta k=0Δk=0 (fāžu saskaņošana), atbilstoši palieliniet pamata gaismas jaudas blīvumu un palieliniet kristāla garumu, kas ir būtisks efektivitātei.222nm UVC gaismaģenerēšana praktiskās sistēmās.