Vyhliadky aplikácie 222nm lasera v oblasti výroby fotonických zariadení 3

Vyhliadky aplikácie 222nm lasera v oblasti výroby fotonických zariadení 3
Elektro-Optická Q-technológia prepínania

Štruktúra elektro-optického Q-spínaného lasera je znázornená na obrázku 1.9. Elektro-optické Q-spínanie využíva elektro-optický modulátor (elektro-optický Q-spínač) na riadenie straty dutiny. Keď sa na elektro-optický modulátor privedie napätie, elektro-optický efekt (Pockelsov efekt) moduluje stav polarizácie svetla. Okrem toho umiestnenie polarizátora alebo rozdeľovača polarizačného lúča do rezonančnej dutiny umožňuje kontrolu straty oscilácie lasera. Elektro-optické Q-prepínanie teda dosahuje Q-prepínanie spúšťané elektrickým signálom, čím sa generujú laserové impulzy. Pre aplikácie vyžadujúce presný hlboký-UV výstup, ako naprPredám UVC svetlo 222 nm, táto technológia zaisťuje stabilnú pulznú kontrolu.

Obrázok 1.9Štruktúra elektro-optického Q-spínaného lasera (zrkadlo, laserový kryštál, polarizátor, elektro-optický Q-spínač, výstupné zrkadlo).

Zariadenie, ktoré moduluje stav polarizácie svetla pomocou Pockelsovho efektu, sa nazýva Pockelsova bunka. Štruktúra Pockelsovej bunky je znázornená na obrázku 1.10. Pockelsov článok, v ktorom je smer elektrického poľa rovnobežný so smerom oscilácie lasera, sa nazýva pozdĺžne zariadenie; také, kde je elektrické pole kolmé na smer oscilácie lasera, sa nazýva priečne zariadenie. V pozdĺžnom zariadení je vzdialenosť elektród nezávislá od veľkosti otvorov a požadované napätie je tiež nezávislé od otvoru, vďaka čomu je vhodný na výrobu Pockelsových článkov s veľkými -apertúrami. V priečnom zariadení závisí rozstup elektród od veľkosti otvoru, takže nie je vhodný pre Pockelsove články s veľkou -apertúrou, ale môže do určitej miery znížiť napätie v aplikáciách s malou -apertúrou.

Obrázok 1.10Pockels bunková štruktúra(a) Pozdĺžne zariadenie (elektro{0}}optický materiál, elektrický signál) (b) Priečne zariadenie (elektro{0}}optický materiál, elektrický signál)

Technológia hlbokého ultrafialového 222 nm pevného-laseru

Napätie aplikované na Pockelsov článok, ktoré vytvára fázový rozdiel π medzi výstupným a vstupným svetlom, sa nazýva polvlnové napätie (napätie λ/2), ktoré sa zvyčajne pohybuje od stoviek do tisícov voltov. Napätie, ktoré vytvára fázový rozdiel π/2, sa nazýva štvrť-vlnové napätie (napätie λ/4). Aplikácia týchto napätí na Pockelsov článok prináša efekty ekvivalentné zodpovedajúcim vlnovým platniam. V elektro-optickom Q-prepínači vloženie polarizačného rozdeľovača lúča a aplikácia štvrť{10}}vlnového napätia spôsobí, že svetlo prejde cez Pockelsov článok dvakrát za spiatočku a otočí smer polarizácie o 90 stupňov . Polarizačný rozdeľovač lúčov potom blokuje šírenie svetla, čím sa mení strata dutiny. Tento princíp je rozhodujúci pri generovaní impulzov vysokého-špičkového{15}}výkonuvzdialené UVC svetlo 222 nm Amazonkompatibilné dezinfekčné systémy.

Na výrobu elektro-optických Q-spínačov sa používa množstvo kryštálov:

napr.LiNbO₃kryštály majú malé odchýlky v piezoelektrických koeficientoch a široký rozsah teplotnej adaptácie (-50 až 60 stupňov), vďaka čomu sa bežne používajú vo vojenských aplikáciách.

KD₂PO₄ (KD*P)aKDPsú komerčne bežné kryštály. Pozdĺžne zariadenia sa zvyčajne používajú na elimináciu efektov chôdze-. Piezoelektrický koeficient KDP je citlivý na teplotu-, náchylný k depolarizácii v dôsledku tepelne indukovaného dvojlomu, ktorý možno kompenzovať pomocou polarizačného rotátora a dvoch elektro{4}}optických kryštálov.

LGSa nelineárne kryštály ponúkajú výhody, ako je odolnosť proti navlhčeniu a široké prenosové pásma, čo predstavuje veľký potenciál pre výrobu elektro-optických Q{1}}prepínačov v222nm svetlozdrojov.

Periodicky kontrolovaný niobát lítny (PPLN)kryštály môžu fungovať ako ekvivalentné Braggove modulátory. Ako Q-spínacie zariadenia majú nízke napätie (<200 V) and repetition rates up to 10 kHz, but their damage threshold needs improvement.

V súčasnosti sú tradičné elektro-optické kryštály obmedzené na frekvenciu opakovania vo všeobecnosti pod 10 kHz v dôsledku faktorov, ako sú vodivosť a elektro{2}}optické koeficienty. Vznikajúce kryštály, ako je PPLN, sú nezrelé a nedokážu udržať-nepretržitú prevádzku s vysokým výkonom. všakRTP, BBOaLGSmôže dosiahnuť vysoké opakovacie frekvencie (rádovo 100 kHz): RTP má veľký elektro-optický koeficient a štvrť{2}}vlnové napätie iba 1 kV; BBO má malý elektro-optický koeficient a štvrť{5}}vlnové napätie do 3 kV; LGS vykazuje významnú optickú aktivitu, čo komplikuje výrobu.

Tabuľka 1.6Porovnanie výkonu niekoľkých bežných kryštálov pre elektro-optické Q-spínacie zariadenia [99–100]

Acousto{0}}Optická Q-technológia prepínania

Mechanizmus akusticko{0}}optického Q-prepínania zahŕňa ultrazvukové vlny šíriace sa akusticko-optickým médiom na odklonenie laserového lúča, čím sa riadi strata dutiny. Štruktúra akusticko-optického Q-spínaného lasera je znázornená na obrázku 1.11. V porovnaní s elektro-optickým Q-prepínaním vyžaduje na dosiahnutie pulznej modulácie iba akusticko-optický modulátor (akusticko{10}}optický Q-prepínač), výsledkom čoho je kompaktnejšia štruktúra ideálna pre integrované222nm UVC svetlosystémov.

Obrázok 1.11Štruktúra akusticko{0}}optického Q-spínaného lasera (zrkadlo, laserový kryštál, akusticko{2}}optický Q-spínač, výstupné zrkadlo).

Štruktúra a princíp činnosti typického akustického-optického modulátora sú znázornené na obrázku 1.12:

Kryštál je typickytavený kremeňaleboteluritové sklo, s antireflexnými vrstvami na optických plochách.

Elektro-akustický menič premieňa vysokofrekvenčný{1}}elektrický signál na ultrazvukové vlny, čo spôsobuje periodické zmeny v indexe lomu akusticko-optického média a vytvára ekvivalentnú objemovú mriežku.

Keď je Braggova difrakčná podmienka splnená, laser je difraktovaný, čo vedie k vysokej strate dutiny a nízkej hodnote Q{0}}, čo zabraňuje oscilácii lasera. Po odstránení akustického poľa strata dutiny rýchlo klesá a vytvára laserový impulz. Periodická modulácia Q-hodnoty vytvára pulzný laserový výstup.

Obrázok 1.12Štruktúra a princíp činnosti typického akustického-optického modulátora(a) RF off (vstupný lúč, prevodník, absorbér, difraktovaný lúč) (b) RF zapnuté (vstupný lúč, prevodník, akustická vlna, absorbér, difraktovaný lúč)

Pri akusticko{0}}optickom Q-prepínaní je strata v dutine jedným-priechodom približne 50 % a spiatočná-strata je približne 75 %. Ultrazvukové frekvencie dosahujú rádovo 100 MHz, pričom elektro-akustický prevodník je poháňaný vysokofrekvenčnými signálmi na úrovni wattov-. Veľké modulátory vyžadujú ~10 W RF výkon a vodné chladenie. Kryštály s vysokým elasto{13}}optickým koeficientom môžu znížiť vysokofrekvenčný výkon, ale majú nižšie prahy optického poškodenia ako tavený kremeň. Jedna strana kryštálu je zvyčajne vybavená akustickým pohlcovačom na udržanie šírenia pohybu{15} vĺn. Uhol vychýlenia lúča pri akusticko{17}}optickom Q-prepínaní je približne 5 stupňov a maximálna opakovacia frekvencia lasera môže dosiahnuť úroveň MHz-vhodnú pre vysoké-rýchlostiPredám UVC svetlo 222 nmaplikácie.

Technológia pasívneho Q{0}}prepínania

Pasívne Q-prepínanie využíva saturovateľný absorbér na riadenie straty dutiny, pričom optická priepustnosť sa mení podľa intenzity absorbovaného lasera. Štruktúra pasívneho Q-spínaného lasera je znázornená na obrázku 1.13 a vyžaduje len saturovateľný absorpčný kryštál, čo z neho robí najjednoduchšiu konfiguráciu pre kompaktnévzdialené UVC svetlo 222 nm Amazonmodulov.

Nasýtiteľné absorbéry sa delia na priepustné (priepustnosť sa zvyšuje s optickou silou) a reflexné (odrazivosť sa zvyšuje s optickou silou). Pracovný proces typického transmisného zariadenia: spočiatku je priepustnosť nízka, čo vedie k vysokej strate dutiny; ako oscilácia lasera narastá a optická sila sa zvyšuje, priepustnosť stúpa k saturácii, čím sa znižuje strata dutiny a generuje sa laserový impulz; po emisii impulzov sa výkon v dutine zníži a priepustnosť tiež klesne, čím sa dokončí jeden Q-spínací cyklus.

Obrázok 1.13Pasívny Q-spínaný laser (zrkadlo, kryštál lasera, saturovateľný kryštál absorbéra, výstupné zrkadlo).

Bežné saturovateľné absorbéry zahŕňajúCr⁴⁺:YAG, V3⁺:YAG, SESAMsulfidové sklo na báze kvantového-bodového{1}}skla, grafitové povlaky a jednostenné uhlíkové nanorúrky-; posledné dve sa zvyčajne používajú na uzamknutie-pasívneho režimu.

Porovnanie a výber rôznych metód Q{0}}prepínania

Stručne povedané, akustické-optické Q{1}}prepínanie je vhodnejšie pre lasery s nízkym- až stredným{3}}výkonom, vrátane tých, ktoré vyrábajú222nm svetlona dezinfekciu. Táto kniha vyberá akustický-optický Q-prepínač ako Q-spínacie riešenie pre laserový systém.

Nelineárne frekvenčné-zdvojené kryštály

Nelineárna optická frekvenčná konverzia sa opiera o interakciu medzi svetlom a hmotou, pričom vytvára nelineárne efekty druhého -rádu, ako je generovanie druhej harmonickej (SHG), generovanie súčtu{1}}frekvencie (SFG), vytváranie rozdielovej{2}}frekvencie (DFG) a optická korekcia (OR). Spomedzi nich je najbežnejšou aplikáciou SHG: dva fotóny s vlnovou dĺžkou λ sa nelineárne kombinujú, aby vytvorili fotón s vlnovou dĺžkou λ/2 – nevyhnutný na generovanie222nm UVC svetlood základných 444 nm.

Nelineárna frekvencia ultrafialového lasera{0}Zdvojenie kryštálov

Čína dosiahla významný pokrok v oblasti nelineárnych ultrafialových kryštálov. Bežne používané kryštály:

LBO (LiB₃O₅, triboritan lítny): Developed by the Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences. Transmission range: 160–2600 nm; easy to grow (>možné kryštály 5 cm3); široký akceptačný uhol, vysoká optická homogenita, nízky chod-off; fázové prispôsobenie laditeľné uhlom alebo teplotou; vysoký prah poškodenia, nenavlhavý-. Široko používaný v laseroch s vysokým-priemerným{5}}výkonom pre SHG, THG, štvrtej harmonickej generácie (FOHG), SFG a DFG.

BBO ( -BaB₂O₄, beta-boritan bárnatý): Vyvinutý Fujianským inštitútom pre výskum štruktúry hmoty, Čínska akadémia vied. Rozsah prenosu: 190–2500 nm; vysoký prah poškodenia, dobrá teplotná stabilita, široké pásmo{3}}zhody fáz, veľký dvojlom, nízky rozptyl; ale malý uhol prijatia, veľký{4}}odklon, mierne navlhčený (vyžaduje ochranu náterom). Priemyselne široko používané v ultrafialových laseroch pre SHG, THG, FOHG, SFG a DFG, vrátane222nm svetlosystémov.

CBO (CsB₃O₅, triboritan cézny): Vyvinutý Fujianským inštitútom pre výskum štruktúry hmoty, Čínska akadémia vied. Rozsah prenosu: 170–3000 nm; vysoký prah poškodenia, veľký nelineárny optický koeficient, malý uhol vychýlenia-. Potenciálne aplikácie v laserovom THG.

CLBO (CsLiB₆O₁₀, borát lítny cézny): Vyvinutý Osakou University, Japonsko. Rozsah prenosu: 180–2750 nm; ľahko pestovateľné veľké,-kvalitné kryštály, malý chod{4}}, veľký prijímací uhol, nízky dvojlom, nízke požiadavky na kvalitu lúča čerpadla; ale veľmi rozplývavá (vyžaduje utesnenie alebo skladovanie pri vysokej teplote). Používa sa hlavne v experimentálnom výskume.

BIBO (BiB₃O₆, triboritan bizmutitý): Monoklinický biaxiálny kryštál. Rozsah prenosu: 270–2600 nm; vysoký efektívny nelineárny koeficient, vysoký prah poškodenia, nízky chod-vypnutý, široké prenosové pásmo, nenavlhavosť-. Sľubná vo viditeľných a ultrafialových oblastiach, ale náročná na pestovanie.

KBBF (KBe₂BO₃F₂, fluoroberylium boritan draselný): Vyvinutý Fujianským inštitútom pre výskum štruktúry hmoty, Čínska akadémia vied. Hlboký-UV nelineárny kryštál. Rozsah prenosu: 155–3700 nm; mierny dvojlom, široký rozsah{5}}fázovej zhody; môže dosiahnuť najkratšiu vlnovú dĺžku UV SHG 163,4 nm. Veľmi sľubné pre UV/hlboké-UV aplikácie vrátanePredám UVC svetlo 222 nm, ale rastová technológia potrebuje zlepšenie.

KABO (K₂Al₂B₂O7, boritan hlinitodraselný): Vyvinutý Fujianským inštitútom pre výskum štruktúry hmoty, Čínska akadémia vied. Rozsah prenosu: 180–3600 nm; dvojlom 0,074, malý efektívny nelineárny koeficient; akceptovanie a odklonenie-uhlov lepšie ako BBO, ale horšie ako CLBO.

RBBF (RbBe₂BO₃F₂, rubídium fluoroberylium borát): Správa Fujianského inštitútu pre výskum štruktúry hmoty, Čínska akadémia vied. Rozsah prenosu: 160–3550 nm; prekonáva rastové ťažkosti KBBF a tendenciu k praskaniu, poskytuje veľké kryštály, odolné voči rozplývaniu-, chemicky stabilné; hlboký-UV nelineárny výkon mierne horší ako KBBF.

Okrem toho nové kryštály, ako naprYCOB, GdCOB, ReCOBaLB4sú v štádiu výskumu, ale nie sú široko používané kvôli rastovej technológii a problémom s prahom poškodenia.

Výber zdvojených kryštálov-nelineárnej frekvencie

V prípade negatívnych jednoosových nelineárnych kryštálov metódy fázového{0}}zhody zahŕňajú najmä uhlovú fázovú zhodu a teplotnú fázovú zhodu:

Fázové prispôsobenie uhla: Dosahuje sa výberom smeru šírenia svetla (kombinácia polarizácie a uhla rezu kryštálu). Delí sa na Typ I (o+o→e) a Typ II (o+e→e). Náchylný k lúčom-vypnutie; ak je dopadajúce svetlo kolmé na os kryštálovej optiky (θ=90 stupeň), je možné eliminovať chôdzu-.

Prispôsobenie teplotnej fázy: Využíva teplotnú citlivosť kryštálového dvojlomu a disperzie na dosiahnutie fázového prispôsobenia pri θ=90 stupni.

Výraz efektívnosti konverzie (bez chôdze-, rovinná vlna, malá-aproximácia signálu): η=P3P1=ϵ0cn1n2n3λ32A8π2deff2L2P2A⋅sinc⁡2[∣cΔk∣L2]}\\eta {{3}{12]}\\eta=\\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[\\trac k||\\Del L} n_2n1​,n2​ sú indexy lomu základného svetla, n3n_3n3​ je index lomu súčtu{60}}frekvenčného svetla, LLL je dĺžka optickej dráhy v kryštáli, Δk\\Delta kΔk je fázový nesúlad a P2/AP_2/AP2​/A je základná hustota výkonu svetla.

Ak chcete zlepšiť účinnosť konverzie, vyberte kryštály s vysokou deffd_{\\text{eff}}deff​ pod Δk=0\\Delta k=0Δk=0 (fázové prispôsobenie), primerane zvýšte hustotu základného svetelného výkonu a predĺžte dĺžku kryštálov-kritickú pre efektívnosť222nm UVC svetlogenerácie v praktických systémoch.