Перспективе примене 222нм ласера у области производње фотонских уређаја 4
Густина снаге и избор кристала одговарајуће дужине
Приликом одабира нелинеарних{0}}кристала за удвостручавање фреквенције, поред разматрања горе наведених фактора утицаја, генерално треба да буду испуњени и следећи захтеви:
① Умерена вредност двоструког преламања (када је усвојено фазно подударање угла, требало би да постоји угао подударања фаза);
② Најмањи могући угао -одступања;
③ Што је могуће већа температура, угао и ширина спектралног прихватљивог опсега;
④ Широк провидни опсег таласних дужина који не утиче на ефикасност нелинеарне конверзије (посебно за ултраљубичасти опсег);
⑤ Релативно висок праг оштећења;
⑥ Једноставан за узгој и ниски трошкови припреме;
⑦ Одлична физичка и хемијска својства и механичка стабилност.
Ова студија углавном користи нелинеарне кристале{0}}удвостручавајућих фреквенција за генерисање другог хармоника, укључујући апликације у којима би УВЦ светло од 222 нм за продају могло имати користи од таквог напретка. У процесу удвостручавања фреквенције са нелинеарним кристалима за{3}}удвостручавање фреквенције, да би се побољшала ефикасност{4}}удвостручавања фреквенције, предуслов је да светлост основне фреквенције и светлост двоструке фреквенције-задовоље услов фазног подударања. Постоје две методе за постизање подударања фаза: критично (угао) и не-критично (температура) подударање фаза. Обично, упаривање фазе температуре може да постигне већу ефикасност{9}}удвостручавања фреквенције и бољи квалитет зрака, али захтева кутију за контролу температуре, што резултира сложеном структуром, великом запремином и високим трошковима. Због тога су у овој студији коришћени нелинеарни кристали који одговарају фази угла. Карактеристике кристала{12}}удвостручавања нелинеарне фреквенције који се користе за генерисање плаве светлости од 457 нм и ултраљубичастог светла од 222 нм, као што је светлост од 222 нм, сумиране су у табели 1.7.
Табела 1.7 Карактеристике нелинеарних фреквенцијских-удвостручавајућих кристала који могу да генеришу ласере од 457 нм и 222 нм
| Цристал | Параметар перформанси | БиБО | ЛБО | ББО | КББФ | РББФ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Нелинеарни коефицијент | 457нм | 3.44 | 0.803 | 2.01 | 0.436 | 0.412 |
| 222нм | - | - | 1.38 | 0.387 | 0.344 | |
| Угао прихватања | 457нм | 1.13 | 4.56 | 0.89 | 1.43 | 1.54 |
| 222нм | - | - | 0.36 | 0.47 | 0.52 | |
| Одмакните се{0}}и од угла /мрад | 457нм | 44.99 | 12.48 | 61.76 | 43.36 | 40.04 |
| 222нм | - | - | 75.68 | 66.05 | 58.72 | |
| Угао подударања фазе/(°) | 457нм | 159,6(θ) 90,0(φ) | 90,0(θ) 21,7(φ) | 25,8(θ) | 22,0(θ) | 23,7(θ) |
| 222нм | - | - | 61.4(θ) | 43,9(θ) | 48.1(θ) | |
| Хигроскопност | Тешко за хигроскоп | Благо хигроскопан | Благо хигроскопан | Није{0}}хигроскопна | Није{0}}хигроскопна | |
| Трансмиссион Бандвидтх/нм | 286~2500 | 160~2600 | 185~2600 | 147~3500 | 165~3500 |
Литијум тетраборат ЛиБ₃О₅ (ЛБО) и бизмут борат БиБ₃О₅ (БиБО) су два комерцијална нелинеарна кристала{0}}удвостручавајућих фреквенција који могу да остваре удвостручење фреквенције у блиском-инфрацрвеном опсегу за генерисање плаве светлости, потенцијално подржавајући производе као што је далеко увц светло 22амазон. У другој-генерацији хармоника (СХГ) ласера од 914нм, иако БиБО има велики нелинеарни коефицијент од 3,44пм/В, његов велики угао -одступања од 44,99мрад доводи до лошег квалитета снопа добијене светлосне тачке, чиме се смањује{9}удвостручење ефикасности фреквенције. Због тога се кристал БиБО не користи у овом експерименту.
Дубока ултраљубичаста 222нм ласерска технологија у чврстом{1}} стању
ЛБО је изабран као други-кристал генерације хармоника у овој студији јер има мали угао одласка-од 12,48мрад, што га чини идеалним за генерисање 222нм увц светлости. Иако ЛБО има мали нелинеарни коефицијент од 0,803 пм/В, релативно мали нелинеарни коефицијент се може компензовати продужавањем дужине ЛБО. Тренутно, најчешће коришћени нелинеарни кристали за удвостручавање ултраљубичасте фреквенције су углавном β−БаБ₂О₄ (ББО) и ЦсЛиБ₆О₁₀ (ЦЛБО) кристали. Међу њима, ЦЛБО кристал има релативно висок нелинеарни коефицијент, мали угао-одступања и скоро никакву апсорпцију ласера у ултраљубичастом опсегу, што погодује генерисању ултраљубичастог светла високих{9}}перформанси, укључујући варијанте попут 222 нм удаљеног УВЦ светла за продају. Међутим, ЦЛБО кристал не може да постигне фазно подударање на 457 нм (за другу-генерацију хармоника). Кристали РбБе₂БО₃Ф₂ (РББФ) и КБе₂БО₃Ф₂ (КББФ) такође могу да генеришу ласер од 222 нм кроз удвостручење фреквенције, али су њихови ефективни нелинеарни коефицијенти мали, а њихова технологија раста тек треба да се побољша. Нису формирали комерцијалне производе, што није погодно за постизање -ефикасног ултраљубичастог ласерског излаза, за разлику од приступачнијих опција као што је далеко увц светло 222 нм Амазон. У поређењу са другим кристалима, ББО кристал је одличан нелинеарни кристал са великим ефективним нелинеарним коефицијентом, високим прагом оштећења и широким опсегом таласних дужина преноса светлости. Његове оптичке перформансе су веома стабилне. То је комерцијални кристал који се тренутно највише користи за генерисање ултраљубичастих и дубоких ултраљубичастих ласера, као што је 222нм светлост, а његова цена је умерена. Стога је у овом истраживачком раду ББО изабран као кристал-четврте генерације хармоника. Детаљна теорија нелинеарне оптике и дизајн параметара ЛБО и ББО кристала{26}}удвостручавања фреквенције биће детаљно представљени у поглављу 4.
На основу горње анализе и одабира различитих медија за појачавање ласера, метода ЛД пумпања, резонантних шупљина, К-метода преклапања и нелинеарних фреквенцијских{1}}карактеристики удвостручавања кристала, предложен је технички пут овог рада: ЛД енд-пумпани Нд:ИВО₄ и акустична{-конструкција пулсирања се користи за реализацију пулсне технологије од 914нм ласера. АВ-ласерска резонантна шупљина и ЛБО фреквенција-дупли кристал се користе за генерисање другог-хармоника унутар шупљине да би се добио ласерски излаз од 457 нм. Затим, метода фокусирања ББО кристала и сочива се користи за удвостручавање фреквенције екстрашупљине плаве светлости од 457 нм да би се остварио дубоки ултраљубичасти 222 нм ласерски излаз, што би могло да инспирише развој у апликацијама 222 нм увц светлости.
Слика 1.15 Шематски дијаграм основне структуре чврстог-ласера за реализацију дубоког ултраљубичастог 222нм ласера
(Садржај дијаграма: Извор ЛД пумпе → Систем спајања → М₁ → Нд:ИВО₄ → Акусто-оптички К- прекидач → М₂ (ЛБО) → М → М₃ → ББО → М₄ → 222нм; са означеним путањама од 914нм и 457нм)
Поглавље 1 Увод
1.5 Главни садржај ове књиге
Ова књига углавном представља-ласерску технологију чврстог стања за генерисање дубоког ултраљубичастог ласера од 222 нм кроз четврту-генерацију хармоније спектралне линије од 914 нм Нд:ИВО₄ квази-три-система са високом ефикасношћу и компактном структуром, релевантно за тржиште далеког светла у2. Књига се састоји од 6 поглавља, а структура и главни садржај су следећи.
Поглавље 1 Увод
Уводи позадину истраживања и значај ласера дубоког ултраљубичастог спектра од 222 нм, историју развоја свих-чврстог-ласера и фокусира се на главне технологије имплементације и преглед развоја свих-чврстих{4}} ласера дубоког ултраљубичастог стања. На основу тога предлаже се технички пут усвојен у овој књизи и указује на главне проблеме ове шеме и правац истраживања ове књиге.
Поглавље 2 Теорија и анализа термичког ефекта Нд:ИВО₄ 914нм ласера
Полазећи од квази-три-једначине брзине ласера у стационарном стању, представљен је ефекат реапсорпције кристала Нд:ИВО₄ ласера, утицај односа величине тачке пумпе и радијуса струка осцилирајућег снопа и дужине кристала на излазне перформансе ласера од 914 нм. Полазећи од теорије проводљивости топлоте, успостављен је модел Нд:ИВО₄ ласера са ЛД енд{4}}пумпаним 914нм ласером. Када је расподела светлости пумпе Гаусова, решење се добија аналитичком методом. Упоређују се пропорције три фактора, односно температурне разлике у индексу преламања, двоструког преламања напона и термичког ширења крајње површине кристала, у стварању топлотног ефекта сочива унутар медијума појачања, а његова топлотна жижна даљина се експериментално мери методом равни-паралелне резонантне шупљине.
Поглавље 3 Акусто-Оптиц К-Технологија пребацивања и В- дизајн резонантне шупљине у облику слова
Успостављен је теоријски модел акусто{0}}оптичке К-укључене 914нм Нд:ИВО₄ једначине и анализирани су фактори који утичу на ширину излазног ласерског импулса. Нумеричким прорачуном и симулацијом проучава се однос између броја честица у горњем и доњем енергетском нивоу, ширине импулса и енергије појединачног-импулса акусто-оптичког К-прекиданог 914нм Нд:ИВО₄ ласера и снаге пумпе и фреквенције понављања. За пројектовање параметара резонантне шупљине предложена је-самостална контролна технологија која користи термичке ефекте на квалитет зрака. Користећи стандардну АБЦД теорију матрице преноса и услове стабилности резонантне шупљине, анализира се и детаљно се разматра варијација величине осцилирајуће тачке на различитим позицијама у тро-огледало пресавијеној шупљини ласера са дужином шупљине под{12}}.
Поглавље 4 Нелинеарна фреквенција-Теорија удвостручавања и фреквенција{2}}Дизајн удвостручавања кристала
Полазећи од Максвелових једначина, механизам генерисања нелинеарних оптичких ефеката, као и услови слагања фаза за удвостручење фреквенције кристала типа И и типа ИИ, систематски се анализирају кроз Лоренцов модел, једначину индекса преламања и теорију интеракције између електромагнетних таласа и материјалних супстанци. У комбинацији са једначином дисперзије и изразом ефективног нелинеарног коефицијента, нумерички се израчунавају углови подударности фазе и ефективни нелинеарни коефицијенти ЛБО/ББО фреквенције{1}}кристала удвостручавања који се користе за генерисање ласера од 457 нм и 222 нм.
Дубока ултраљубичаста 222нм ласерска технологија у чврстом{1}} стању
Поглавље 5 Експеримент дубоког ултраљубичастог 222нм ласера у чврстом{2}} стању
На основу теоријских истраживања и пројектовања параметара у претходним поглављима, изведен је експеримент оптимизације 222нм ласера. Прво, узимајући у обзир усклађивање режима, експеримент оптимизације континуалног ласера од 457 нм се спроводи да би се добио континуирани ласерски излаз од 457 нм са релативно великом снагом и добрим квалитетом зрака. Затим, одабиром сочива за фокусирање са одговарајућом жижном даљином, дужином ББО кристала и њиховим положајима постављања, врши се удвостручење фреквенције фокусиране ван шупљине ласера од 457 нм да би се добио континуирани ласер од 222 нм. На основу континуираног ласера од 457 нм, у комбинацији са акусто{9}}оптичким К- технологијом пребацивања, фреквенција модулације се мења да би се пронашао импулсни ласерски излаз од 457 нм са максималном вршном снагом. Затим се фокусира помоћу сочива са екстрашупљином, а пулсни ласер од 222 нм се генерише удвостручавањем фреквенције помоћу ББО кристала. Поред тога, спроведена је експериментална студија о инактивацији бактерија импулсним ласером од 222 нм, која је у складу са практичном употребом 222 нм далеког УВЦ светла за продају и 222 нм светлости.
