Tillämpningsmöjligheter för 222nm-laser inom området för tillverkning av fotoniska enheter 3

Tillämpningsmöjligheter för 222nm-laser inom området för tillverkning av fotoniska enheter 3
Elektro-Optic Q-växlingsteknik

Strukturen hos en elektro-optisk Q-omkopplad laser visas i figur 1.9. Elektro-optisk Q-switching använder en elektro-optisk modulator (elektro-optisk Q-switch) för att kontrollera kavitetsförlusten. När spänning läggs på den elektro-optiska modulatorn, modulerar den elektro-optiska effekten (Pockels-effekten) ljusets polarisationstillstånd. Dessutom tillåter placering av en polarisator eller polariserande stråldelare i resonanshåligheten kontroll av laseroscillationsförlusten. Således uppnår elektro-optisk Q-omkoppling Q-omkoppling utlöst av en elektrisk signal och genererar därigenom laserpulser. För applikationer som kräver exakt djup-UV-effekt, som t.ex222 nm långt UVC-ljus till salu, denna teknik säkerställer stabil pulskontroll.

Figur 1.9Struktur för elektro-optisk Q-omkopplad laser (spegel, laserkristall, polarisator, elektro-optisk Q-omkopplare, utgångsspegel).

Enheten som modulerar ljusets polarisationstillstånd med hjälp av Pockels-effekten kallas en Pockels-cell. Strukturen för en Pockels-cell visas i figur 1.10. En Pockels-cell där det elektriska fältets riktning är parallell med laserns oscillationsriktning kallas en longitudinell enhet; en där det elektriska fältet är vinkelrät mot laserns oscillationsriktning kallas en tvärgående anordning. I en longitudinell enhet är elektrodavståndet oberoende av den fria öppningsstorleken, och den erforderliga spänningen är också oberoende av öppningen, vilket gör den lämplig för tillverkning av Pockels-celler med stor -öppning. I en tvärgående enhet beror elektrodavståndet på bländarstorleken, så det är inte lämpligt för Pockels-celler med stor-öppning men kan minska spänningen i viss utsträckning i tillämpningar med små-öppningar.

Figur 1.10Pockels cellstruktur(a) Längsgående enhet (elektro-optiskt material, elektrisk signal) (b) Tvärgående enhet (elektro-optiskt material, elektrisk signal)

Djup ultraviolett 222 nm solid-laserteknik

Spänningen som appliceras på en Pockels-cell som producerar en fasskillnad på π mellan utgångs- och ingångsljuset kallas halvvågsspänningen (λ/2-spänning), vanligtvis från hundratals till tusentals volt. Spänningen som ger en π/2 fasskillnad kallas kvarts-vågsspänning (λ/4 spänning). Att applicera dessa spänningar på en Pockels-cell ger effekter motsvarande motsvarande vågplattor. I en elektro-optisk Q-switch, införande av en polariserande stråldelare och applicering av en kvarts-vågsspänning får ljuset att passera genom Pockels-cellen två gånger på en tur och retur, vilket roterar polarisationsriktningen med 90 grader. Den polariserande stråldelaren blockerar sedan ljusutbredning och förändrar därigenom kavitetsförlusten. Denna princip är avgörande för att generera hög-topp-effektpulser förlångt UVC-ljus 222 nm Amazonkompatibla desinfektionssystem.

Många kristaller används för att tillverka elektro-optiska Q-omkopplare:

Till exempel,LiNbO3Kristaller har små variationer i piezoelektriska koefficienter och ett brett temperaturanpassningsområde (-50 till 60 grader), vilket gör dem vanliga i militära tillämpningar.

KD₂PO₄ (KD*P)ochKDPär kommersiellt vanliga kristaller. Längsgående enheter används vanligtvis för att eliminera-avgångseffekter. KDP:s piezoelektriska koefficient är temperatur-känslig, benägen att depolariseras på grund av termiskt inducerad dubbelbrytning, som kan kompenseras med en polarisationsrotator och två elektro-optiska kristaller.

LGSoch olinjära kristaller erbjuder fördelar som motstånd mot förflyttning och breda transmissionsband, vilket visar stor potential för tillverkning av elektro-optiska Q-switchar i222nm ljuskällor.

Periodiskt polad litiumniobat (PPLN)kristaller kan fungera som likvärdiga Bragg-modulatorer. Som Q-växlingsenheter har de låg spänning (<200 V) and repetition rates up to 10 kHz, but their damage threshold needs improvement.

För närvarande är traditionella elektro-optiska kristaller begränsade till repetitionshastigheter som vanligtvis är under 10 kHz på grund av faktorer som konduktivitet och elektro-optiska koefficienter. Framväxande kristaller som PPLN är omogna och kan inte upprätthålla kontinuerlig drift med hög-effekt. Dock,RTP, BBO, ochLGSkan uppnå höga repetitionsfrekvenser (i storleksordningen 100 kHz): RTP har en stor elektro-optisk koefficient och en kvarts-vågsspänning på endast 1 kV; BBO har en liten elektro-optisk koefficient och en kvarts-vågsspänning upp till 3 kV; LGS uppvisar betydande optisk aktivitet, vilket komplicerar tillverkningen.

Tabell 1.6Prestandajämförelse av flera vanliga kristaller för elektro-optiska Q-växlingsenheter [99−100]

Acousto-Optic Q-växlingsteknik

Mekanismen för akusto-optisk Q-omkoppling involverar ultraljudsvågor som fortplantar sig genom ett akusto-optiskt medium för att avleda laserstrålen och därigenom kontrollera kavitetsförlusten. Strukturen hos en akusto-optisk Q-omkopplad laser visas i figur 1.11. Jämfört med elektro-optisk Q-switching kräver den bara en akusto-optisk modulator (acousto-optisk Q-switch) för att uppnå pulsmodulering, vilket resulterar i en mer kompakt struktur idealisk för integrerad222nm UVC-ljussystem.

Figur 1.11Struktur för akusto-optisk Q-omkopplad laser (spegel, laserkristall, akusto-optisk Q-omkopplare, utgångsspegel).

Strukturen och arbetsprincipen för en typisk akusto-optisk modulator illustreras i figur 1.12:

Kristallen är typisktsmält kvartsellertellurit glas, med antireflekterande beläggningar på de optiska ytorna.

Den elektro-akustiska omvandlaren omvandlar en hög-elektrisk signal till ultraljudsvågor, vilket orsakar periodisk variation i det akusto-optiska mediets brytningsindex, vilket bildar ett ekvivalent volymgitter.

När Bragg-diffraktionsvillkoret är uppfyllt, diffrakteras lasern, vilket resulterar i hög kavitetsförlust och lågt Q--värde, vilket förhindrar laseroscillation. Efter att det akustiska fältet har tagits bort minskar kavitetsförlusten snabbt och bildar en laserpuls. Periodisk modulering av Q--värdet producerar pulsad laserutgång.

Figur 1.12Struktur och arbetsprincip för en typisk akusto-optisk modulator(a) RF av (ingångsstråle, givare, absorbator, diffrakterad stråle) (b) RF på (ingångsstråle, givare, akustisk våg, absorbator, diffrakterad stråle)

I akusto-optisk Q-växling är kavitetsförlusten i engångs-passage ungefär 50 % och tur och returförlusten är ungefär 75 %. Ultraljudsfrekvenser når storleksordningen 100 MHz, med den elektro-akustiska givaren som drivs av RF-signaler på watt-nivå. Stora modulatorer kräver ~10 W RF-effekt och vattenkylning. Kristaller med höga elasto-optiska koefficienter kan minska RF-effekten men har lägre optiska skadetrösklar än smält kvarts. Ena sidan av kristallen är vanligtvis utrustad med en akustisk absorbator för att upprätthålla akustisk utbredning av vandringsvågor. Strålavböjningsvinkeln i akusto-optisk Q-omkoppling är ungefär 5 grader, och den maximala laserrepetitionshastigheten kan nå MHz-nivån-lämplig för hög-hastighet222 nm långt UVC-ljus till saluapplikationer.

Passiv Q-växlingsteknik

Passiv Q-switching använder en mättbar absorbator för att kontrollera kavitetsförlust, med optisk transmittans som varierar med absorberad laserintensitet. Strukturen hos en passiv Q-switchad laser visas i figur 1.13 och kräver endast en mättbar absorberande kristall, vilket gör den till den enklaste konfigurationen för kompaktlångt UVC-ljus 222 nm Amazonmoduler.

Mättnadsbara absorbatorer är indelade i transmissiv typ (transmittans ökar med optisk effekt) och reflekterande typ (reflektans ökar med optisk effekt). Arbetsprocessen för en typisk transmissiv anordning: initialt är transmittansen låg, vilket leder till hög kavitetsförlust; när laseroscillation byggs upp och den optiska effekten ökar, ökar transmittansen till mättnad, vilket minskar kavitetsförlusten och genererar en laserpuls; efter pulsemission minskar kraften i hålrummet, och transmittansen sjunker också, vilket slutför en Q-växlingscykel.

Figur 1.13Passiv Q-omkopplad laser (spegel, laserkristall, mättbar absorberande kristall, utgående spegel).

Vanliga mättbara absorbenter inkluderarCr⁴⁺:YAG, V³⁺:YAG, SESAM, kvant-prickbaserat-blysulfidglas, grafitbeläggningar och enkelväggiga-kolnanorör; de två sistnämnda används vanligtvis för passivt läge-låsning.

Jämförelse och urval av olika Q-växlingsmetoder

Sammanfattningsvis är akusto-optisk Q-växling mer lämplig för lasrar med låg- till medelhög-effekt, inklusive de som producerar222nm ljusför desinfektion. Den här boken väljer en akustisk-optisk Q-switch som Q-switchlösning för lasersystemet.

Icke-linjär frekvens-Fördubbling av kristaller

Icke-linjär optisk frekvensomvandling förlitar sig på interaktionen mellan ljus och materia, och producerar andra-icke-linjära effekter såsom andra övertonsgenerering (SHG), summa-frekvensgenerering (SFG), skillnad-frekvensgenerering (DFG) och optisk likriktning (OR). Bland dessa är SHG den vanligaste applikationen: två fotoner med våglängd λ kombineras olinjärt för att producera en foton med våglängd λ/2 som är nödvändig för att generera222nm UVC-ljusfrån 444 nm grunder.

Ultraviolett laser icke-linjär frekvens-Fördubbling av kristaller

Kina har gjort betydande framsteg när det gäller olinjära ultravioletta kristaller. Följande är vanliga kristaller:

LBO (LiB₃O5, litiumtriborat): Developed by the Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences. Transmission range: 160–2600 nm; easy to grow (>5 cm³ kristaller möjliga); bred acceptansvinkel, hög optisk homogenitet, låg gång-av; fasanpassning avstämbar med vinkel eller temperatur; hög skadetröskel, icke-avsvällande. Används ofta i hög-medelvärde-lasrar för SHG, THG, fjärde övertonsgenerationen (FOHG), SFG och DFG.

BBO (-BaB₂O₄, beta-bariumborat): Utvecklat av Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences. Överföringsområde: 190–2500 nm; hög skadetröskel, bra temperaturstabilitet, brett fas-matchande band, stor dubbelbrytning, låg spridning; men liten mottagningsvinkel, stor gång-av, lätt utflytande (kräver beläggningsskydd). Industriellt använd i ultravioletta lasrar för SHG, THG, FOHG, SFG och DFG, inklusive222nm ljussystem.

CBO (CsB₃O₅, cesiumtriborat): Utvecklat av Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences. Överföringsområde: 170–3000 nm; hög skadetröskel, stor olinjär optisk koefficient, liten avgångsvinkel-. Potentiella tillämpningar i laser THG.

CLBO (CsLiB₆O₁₀, cesiumlitiumborat): Utvecklad av Osaka University, Japan. Överföringsområde: 180–2750 nm; lätta att odla stora kristaller av hög-kvalitet, liten gång-av, stor acceptansvinkel, låg dubbelbrytning, låga kvalitetskrav på pumpstrålen; men mycket flytande (kräver försegling eller lagring vid hög-temperatur). Används mest i experimentell forskning.

BIBO (BiB₃O₆, vismuttriborat): Monoklin biaxiell kristall. Överföringsområde: 270–2600 nm; hög effektiv olinjär koefficient, hög skadetröskel, låg gång-av, brett överföringsband, icke-utflytande. Lovande i synliga och ultravioletta regioner, men svår att odla.

KBBF (KBe₂BO₃F₂, kaliumfluoroberylliumborat): Utvecklat av Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences. Djup-icke-linjär UV-kristall. Överföringsområde: 155–3700 nm; måttlig dubbelbrytning, bred fas-matchningsområde; kan uppnå kortaste UV SHG-våglängd på 163,4 nm. Mycket lovande för UV/djupa-UV-applikationer, inklusive222 nm långt UVC-ljus till salu, men tillväxtteknologi behöver förbättras.

KABO (K₂Al₂B₂O7, kaliumaluminiumborat): Utvecklat av Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences. Överföringsområde: 180–3600 nm; dubbelbrytning 0,074, liten effektiv olinjär koefficient; acceptans och gå-av vinklar bättre än BBO men sämre än CLBO.

RBBF (RbBe₂BO₃F₂, rubidiumfluoroberylliumborat): Rapporterat av Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences. Överföringsområde: 160–3550 nm; övervinner KBBF:s tillväxtsvårigheter och sprickbildningstendenser, ger stora kristaller, lösgörs-resistent, kemiskt stabil; djup-UV-olinjär prestanda något sämre än KBBF.

Dessutom nya kristaller som t.exYCOB, GdCOB, ReCOB, ochLB4är under forskning men inte allmänt tillämpade på grund av tillväxtteknologi och problem med skadetröskel.

Val av icke-linjär frekvens-fördubblingskristaller

För negativa enaxliga olinjära kristaller inkluderar fasmatchningsmetoder huvudsakligen vinkelfasmatchning och temperaturfasmatchning:

Vinkelfasmatchning: Uppnås genom att välja ljusets utbredningsriktning (kombination av polarisering och kristallskärningsvinkel). Uppdelad i Typ I (o+o→e) och Typ II (o+e→e). Benägen att strålen går-av; om infallande ljus är vinkelrät mot kristallens optiska axel (θ=90 grad), kan walk-off elimineras.

Temperaturfasmatchning: Använder temperaturkänslighet för kristall dubbelbrytning och dispersion för att uppnå fasmatchning vid θ=90 grad.

Konverteringseffektivitetsuttryck (ingen gång-av, plan våg, liten-signalapproximation): η=P3P1=ϵ0cn1n2n3λ32A8π2deff2L2P2A⋅sinc⁡2[∣Δk∣afra {L2]{_1}et \\P_1}=\\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[\\frac{|\\Delta k L}{2}\\right]η=P1​P3​​=8π2ϵ0​cn1​n2​n3​λ32​A​deff2​L2AP2​​​⋅sinc2[2∣Δk∣L​] där deffd_{\\text​{eff}} är den effektiva,nff n1,n2n_1, n_2n1​,n2​ är brytningsindex för fundamentalt ljus, n3n_3n3​ är brytningsindexet för summan-frekvensljus, LLL är den optiska väglängden i kristallen, Δk\\Delta kΔk är fasfelanpassningen AP_2/2/2/2-ljusstyrka.

För att förbättra konverteringseffektiviteten, välj kristaller med hög deffd_{\\text{eff}}deff​ under Δk=0\\Delta k=0Δk=0 (fasmatchning), öka den grundläggande ljuseffektdensiteten på lämpligt sätt och utöka kristalllängden-kritisk för effektiv222nm UVC-ljusgenerering i praktiska system.