222 nm laseri rakendusväljavaated fotooniliste seadmete valmistamise valdkonnas 3

222 nm laseri rakendusväljavaated fotooniliste seadmete valmistamise valdkonnas 3
Electro{0}}Optic Q-lülitustehnoloogia

Elektro-optilise Q-lülitusega laseri struktuur on näidatud joonisel 1.9. Elektro-optiline Q-lülitus kasutab elektro-optilist modulaatorit (electro-optic Q-lülitit), et kontrollida õõnsuse kadu. Kui elektro-optilisele modulaatorile rakendatakse pinget, moduleerib elektro-optiline efekt (Pockelsi efekt) valguse polarisatsiooni olekut. Lisaks võimaldab polarisaatori või polariseeriva kiire jaoturi paigutamine resonantsõõnde kontrollida laseri võnkekadu. Seega saavutab elektro-optiline Q-lülitus Q-, mille käivitab elektriline signaal, genereerides seeläbi laserimpulsse. Rakenduste jaoks, mis nõuavad täpset sügavat{17}}UV-kiirgust, ntMüüa 222 nm UVC valgusti, see tehnoloogia tagab stabiilse impulsi juhtimise.

Joonis 1.9Elektro-optilise Q-lülitusega laseri struktuur (peegel, laserkristall, polarisaator, elektro-optiline Q-lüliti, väljundpeegel).

Seadet, mis moduleerib valguse polarisatsiooni olekut Pockelsi efekti abil, nimetatakse Pockelsi rakuks. Pockelsi lahtri struktuur on näidatud joonisel 1.10. Pockelsi rakku, kus elektrivälja suund on paralleelne laseri võnkesuunaga, nimetatakse pikisuunaliseks seadmeks; sellist, kus elektriväli on laseri võnkesuunaga risti, nimetatakse põikseadmeks. Pikisuunalises seadmes ei sõltu elektroodide vahekaugus selgest ava suurusest ja vajalik pinge ei sõltu ka avast, mistõttu see sobib suurte -apertuuriga Pockelsi elementide valmistamiseks. Ristsuunalises seadmes sõltub elektroodide vahekaugus ava suurusest, seega ei sobi see suure-ava Pockelsi elementide jaoks, kuid võib pinget teatud määral vähendada väikese avaga-rakendustes.

Joonis 1.10Pockelsi raku struktuur(a) Pikisuunaline seade (elektro{0}}optiline materjal, elektriline signaal) (b) põikseade (elektro{0}}optiline materjal, elektriline signaal)

Ultraviolett 222 nm tahkis{1}}laseri tehnoloogia

Pockelsi elemendile rakendatavat pinget, mis tekitab väljund- ja sisendvalguse faaside erinevuse π, nimetatakse pool{0}}lainepingeks (λ/2 pinge), mis tavaliselt ulatub sadadest kuni tuhandete voltideni. Pinget, mis tekitab faasierinevuse π/2, nimetatakse veerand-lainepingeks (λ/4 pinge). Nende pingete rakendamine Pockelsi elemendile annab vastavate laineplaatidega samaväärsed efektid. Elektro-optilise Q-lüliti puhul läbib polarisatsioonikiire jaoturi sisestamine ja veerand{10}}lainepinge rakendades valgust Pockelsi raku kaks korda edasi-tagasi, pöörates polarisatsioonisuunda 90 kraadi võrra. Seejärel blokeerib polarisatsioonikiire jaotur valguse levimise, muutes seeläbi õõnsuse kadu. See põhimõte on ülioluline kõrgete{14}}tippvõimsuse{15}}impulsside genereerimiselkauge UVC valgus 222 nm Amazonühilduvad desinfitseerimissüsteemid.

Elektro{0}}optiliste Q-lülitite valmistamiseks kasutatakse arvukalt kristalle:

NäiteksLiNbO₃kristallidel on väikesed piesoelektriliste koefitsientide kõikumised ja lai temperatuuri kohanemisvahemik (-50 kuni 60 kraadi), mistõttu neid kasutatakse laialdaselt sõjalistes rakendustes.

KD₂PO4 (KD*P)jaKDPon kaubanduslikult levinud kristallid. Tavaliselt kasutatakse pikisuunalisi seadmeid, et kõrvaldada{1}}käimise mõju. KDP piesoelektriline koefitsient on temperatuuri-tundlik, termiliselt indutseeritud kaksikmurdmise tõttu kalduvus depolarisatsioonile, mida saab kompenseerida polarisatsioonirotaatori ja kahe elektro-optilise kristalli abil.

LGSja mittelineaarsed kristallid pakuvad selliseid eeliseid nagu vastupidavus vedeldamisele ja laiad ülekanderibad, mis näitavad suurt potentsiaali elektro{0}}optiliste Q-lülitite tootmiseks222nm valgusallikatest.

Perioodiliselt poleeritud liitiumniobaat (PPLN)kristallid võivad toimida samaväärsete Braggi modulaatoritena. Q-lülitusseadmetena on neil madalpinge (<200 V) and repetition rates up to 10 kHz, but their damage threshold needs improvement.

Praegu on traditsiooniliste elektro-optiliste kristallide kordussagedus tavaliselt alla 10 kHz selliste tegurite tõttu nagu juhtivus ja elektro-optilised koefitsiendid. Tekkivad kristallid, nagu PPLN, on ebaküpsed ja ei suuda säilitada suure-võimsusega pidevat tööd. SiiskiRTP, BBO, jaLGSsuudab saavutada kõrge kordussageduse (suurusjärgus 100 kHz): RTP-l on suur elektro-optiline koefitsient ja veerand-lainepinge on ainult 1 kV; BBO-l on väike elektro-optiline koefitsient ja veerand{5}}lainepinge kuni 3 kV; LGS-il on märkimisväärne optiline aktiivsus, mis raskendab valmistamist.

Tabel 1.6Elektro{0}}optiliste Q-lülitusseadmete mitme levinud kristalli jõudluse võrdlus [99–100]

Acousto{0}}Optic Q-lülitustehnoloogia

Akustilise-optilise Q-lülituse mehhanism hõlmab ultrahelilaineid, mis levivad läbi akustilise-optilise keskkonna, suunates laserkiire kõrvale, kontrollides seeläbi õõnsuse kadu. Akustilise-optilise Q-lülitusega laseri struktuur on näidatud joonisel 1.11. Võrreldes elektro-optilise Q-lülitusega, vajab see impulssmodulatsiooni saavutamiseks ainult akusto-optilist modulaatorit (akusto-optilist Q-lülitit), mille tulemuseks on kompaktsem struktuur, mis sobib ideaalselt integreeritud jaoks222nm UVC valgussüsteemid.

Joonis 1.11Akusto-optilise Q-lülitusega laseri struktuur (peegel, laserkristall, akusto-optiline Q-lüliti, väljundpeegel).

Tüüpilise akustilise{0}}optilise modulaatori struktuur ja tööpõhimõte on näidatud joonisel 1.12.

Kristall on tavaliseltsulatatud kvartsvõitellurite klaas, optiliste pindade peegeldusvastase kattega.

Elektro-akustiline muundur teisendab kõrgsagedusliku-elektrilise signaali ultrahelilaineteks, põhjustades perioodilisi muutusi akustilise-optilise keskkonna murdumisnäitajas, moodustades samaväärse mahuvõre.

Kui Braggi difraktsioonitingimus on täidetud, siis laser hajub, mille tulemuseks on suur õõnsuse kadu ja madal Q{0}}väärtus, mis takistab laseri võnkumist. Pärast akustilise välja eemaldamist väheneb õõnsuse kadu kiiresti, moodustades laserimpulsi. Q-väärtuse perioodiline moduleerimine annab impulsslaseri väljundi.

Joonis 1.12Tüüpilise akustilise-optilise modulaatori struktuur ja tööpõhimõtea) RF väljas (sisendkiir, andur, neelduja, hajutatud kiir) (b) RF sees (sisendkiir, muundur, akustiline laine, neelduja, difrakteeritud kiir)

Akustilise-optilise Q-lülituse korral on ühe-käigu õõnsuse kadu ligikaudu 50% ja edasi-tagasi Ultraheli sagedused ulatuvad suurusjärku 100 MHz, kusjuures elektro{8}}akustilist muundurit juhivad vatt- RF-signaalid. Suured modulaatorid vajavad ~10 W RF-võimsust ja vesijahutust. Kõrge elasto-optiliste koefitsientidega kristallid võivad vähendada raadiosageduslikku võimsust, kuid neil on madalam optilise kahjustuse lävi kui sulakvartsil. Kristalli üks külg on tavaliselt varustatud akustilise neelduriga, et säilitada{15}}rändlainete akustiline levik. Kiire läbipaindenurk akustilise-optilise Q-lülituse korral on ligikaudu 5 kraadi ja laseri maksimaalne kordussagedus võib ulatuda MHz tasemeni,{20}}mis sobib suureks{21}}kiiruseks.Müüa 222 nm UVC valgustirakendusi.

Passiivne Q{0}}lülitustehnoloogia

Passiivne Q{0}}lülitus kasutab õõnsuse kadumise kontrollimiseks küllastuvat neeldurit, mille optiline läbilaskvus varieerub sõltuvalt neeldunud laseri intensiivsusest. Passiivse Q-lülitusega laseri struktuur on näidatud joonisel 1.13, see nõuab ainult küllastuvat neeldumiskristalli, mistõttu on see kompaktse jaoks lihtsaim konfiguratsioon.kauge UVC valgus 222 nm Amazonmoodulid.

Küllastuvad neeldurid jagunevad läbilaskvateks (läbilaskvus suureneb optilise võimsusega) ja peegeldavaks (peegeldusvõime suureneb optilise võimsusega). Tüüpilise läbilaskva seadme tööprotsess: esialgu on läbilaskvus madal, mis põhjustab suurt õõnsuse kadu; kui laservõnkumine koguneb ja optiline võimsus suureneb, tõuseb läbilaskvus küllastumiseni, vähendades õõnsuse kadu ja tekitades laserimpulsi; pärast impulsi emissiooni väheneb õõnsusesisene võimsus ja langeb ka läbilaskvus, mis teeb ühe Q-lülitustsükli.

Joonis 1.13Passiivne Q-lülitatud laser (peegel, laserkristall, küllastunud neeldumiskristall, väljundpeegel).

Levinud küllastuvad absorbendid hõlmavadCr⁴⁺:YAG, V³⁺:YAG, SESAM, kvant{0}}punkt-põhine pliisulfiidklaas, grafiitkatted ja ühe-seinaga süsinik-nanotorud; kahte viimast kasutatakse tavaliselt passiivse režiimi -lukustamiseks.

Erinevate Q{0}}vahetusmeetodite võrdlus ja valik

Kokkuvõttes sobib akustiline-optiline Q-lülitus paremini väikese- kuni keskmise-võimsusega laseritele, sealhulgas laseritele, mis toodavad222nm valgusdesinfitseerimiseks. See raamat valib lasersüsteemi Q-lülituslahenduseks akustilise-optilise Q-lüliti.

Mittelineaarsed sagedused{0}}kahekordistuvad kristallid

Mittelineaarne optiline sageduse muundamine põhineb valguse ja aine vastastikmõjul, tekitades teist -järgu mittelineaarseid efekte, nagu teise harmoonilise genereerimise (SHG), summa{1}}sageduse genereerimise (SFG), erinevuse-sageduse genereerimise (DFG) ja optilise alalduse (OR). Nende hulgas on SHG kõige levinum rakendus: kaks lainepikkusega λ footonit ühinevad mittelineaarselt, moodustades lainepikkusega λ/2 footoni, mis on genereerimiseks hädavajalik.222nm UVC valgus444 nm põhialustest.

Ultraviolettlaseri mittelineaarne sagedus{0}}kahekordistuvad kristallid

Hiina on saavutanud märkimisväärset edu mittelineaarsete ultraviolettkristallide vallas. Tavaliselt kasutatakse järgmisi kristalle:

LBO (LiB₃O5, liitiumtriboraat): Developed by the Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences. Transmission range: 160–2600 nm; easy to grow (>võimalikud 5 cm³ kristallid); lai vastuvõtunurk, kõrge optiline homogeensus, väike eemaldus-; nurga või temperatuuri järgi häälestatav faaside sobitamine; kõrge kahjulävi, mitte-veenev. Kasutatakse laialdaselt suure-keskmise-võimsusega laserites SHG, THG, neljanda harmoonilise põlvkonna (FOHG), SFG ja DFG jaoks.

BBO (-BaB₂O₄, beeta-baariumboraat): välja töötanud Hiina Teaduste Akadeemia Fujiani Mateeria struktuuri uurimise instituut. Läbilaskeala: 190–2500 nm; kõrge kahjustuslävi, hea temperatuuristabiilsus, lai faasi-sobivusriba, suur kaksikmurduvus, madal dispersioon; kuid väike vastuvõtunurk, suur eemaldus-, kergelt vedeldav (vajab kattekaitset). Tööstuslikult laialdaselt kasutatav ultraviolettlaserites SHG, THG, FOHG, SFG ja DFG jaoks, sealhulgas222nm valgussüsteemid.

CBO (CsB3O5, tseesiumtriboraat): välja töötanud Hiina Teaduste Akadeemia Fujiani Mateeria struktuuri uurimise instituut. Läbilaskeala: 170–3000 nm; kõrge kahjulävi, suur mittelineaarne optiline koefitsient, väike kõnni-nurk. Võimalikud rakendused laser-THG-s.

CLBO (CsLiB₆O10, tseesiumliitiumboraat): välja töötanud Osaka ülikool, Jaapan. Läbilaskeala: 180–2750 nm; kergesti kasvatatavad suured kvaliteetsed-kristallid, väike kõndimine-, suur vastuvõtunurk, madal kaksikmurdumine, madalad pumbakiire kvaliteedinõuded; kuid väga vedeldav (vajab sulgemist või kõrgel{5}}temperatuuril säilitamist). Enamasti kasutatakse eksperimentaalsetes uuringutes.

BIBO (BiB₃O₆, vismuttriboraat): Monokliiniline kaheteljeline kristall. Läbilaskeulatus: 270–2600 nm; kõrge efektiivne mittelineaarne koefitsient, kõrge kahjustuslävi, madal kõndimine-, lai edastusriba, mitte -lahtuv. Paljutõotav nähtavates ja ultraviolettpiirkondades, kuid raskesti kasvatatav.

KBBF (KBe2BO3F2, kaaliumfluoroberülliumboraat): välja töötanud Hiina Teaduste Akadeemia Fujiani Mateeria struktuuri uurimise instituut. Sügav-UV-mittelineaarne kristall. Läbilaskeala: 155–3700 nm; mõõdukas kaksikmurdumine, lai faasi{5}}sobivusvahemik; suudab saavutada lühima UV SHG lainepikkuse 163,4 nm. Väga paljutõotav UV-/sügav-{8}}UV-rakenduste jaoks, sealhulgasMüüa 222 nm UVC valgusti, kuid kasvutehnoloogia vajab täiustamist.

KABO (K₂Al2B2O7, kaaliumalumiiniumboraat): välja töötanud Hiina Teaduste Akadeemia Fujiani Mateeria struktuuri uurimise instituut. Läbilaskeala: 180–3600 nm; kahekordne murdumine 0,074, väike efektiivne mittelineaarne koefitsient; vastuvõtt ja eemaldumine-parem kui BBO, kuid halvem kui CLBO.

RBBF (RbBe₂BO3F2, rubiidiumfluoroberülliumboraat): Teatanud Hiina Teaduste Akadeemia Fujiani Mateeria struktuuri uurimise instituut. Läbilaskeala: 160–3550 nm; ületab KBBF-i kasvuraskused ja kalduvuse pragudele, annab suuri kristalle, vedelamiskindel, keemiliselt stabiilne; sügav-UV mittelineaarne jõudlus on veidi madalam kui KBBF.

Lisaks on uudsed kristallid naguYCOB, GdCOB, ReCOB, jaLB4on uurimisel, kuid kasvutehnoloogia ja kahjulävega seotud probleemide tõttu ei ole laialdaselt kasutusel.

Mittelineaarsete sageduste{0}}kahekordistuskristallide valik

Negatiivsete üheteljeliste mittelineaarsete kristallide puhul hõlmavad faaside{0}}sobitamise meetodid peamiselt nurga faasi sobitamist ja temperatuuri faasi sobitamist:

Nurga faasi sobitamine: saavutatakse valguse levimise suuna valimisel (kombineerides polarisatsiooni ja kristalli lõikenurga). Jaotatud I tüübiks (o+o→e) ja II tüübiks (o+e→e). altid kiirte kõndimiseks-; kui langev valgus on risti kristalli optilise teljega (θ=90 kraad ), saab eemaldumise- välistada.

Temperatuuri faasi sobitamine: kasutab kristallide kaksikmurdmise ja dispersiooni temperatuuritundlikkust, et saavutada faaside sobivus θ=90 kraadi juures.

Konversiooni tõhususe avaldis (ei kõndi-, tasapinnaline laine, väike-signaali lähendus): η=P3P1=ϵ0cn1n2n3λ32A8π2deff2L2P2A⋅sinc⁡2[∣Δk∣L2_c}}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 \\operaatorinimi{sinc}^2\\left[\\frac{| L} {2} n_2n1​,n2​ on põhivalguse murdumisnäitajad, n3n_3n3​ on valguse summa-sageduse murdumisnäitaja, LLL on optilise tee pikkus kristallis, Δk\\Delta kΔk on faaside mittevastavus ja P2/AP_2/AP2​/A on põhivalguse võimsustihedus.

Konversiooni efektiivsuse parandamiseks valige kristallid, mille deffd_{\\text{eff}}deff​ on Δk=0\\Delta k=0Δk=0 all (faaside sobitamine), suurendage asjakohaselt põhivalguse võimsustihedust ja pikendage kristallide pikkust, mis on tõhususe jaoks kriitiline.222nm UVC valguspraktilistes süsteemides.