Vyhlídky aplikace 222nm laseru v oblasti výroby fotonických zařízení 3

Vyhlídky aplikace 222nm laseru v oblasti výroby fotonických zařízení 3
Elektro-Optická Q-spínací technologie

Struktura elektro-optického Q-spínaného laseru je znázorněna na obrázku 1.9. Elektro-optické Q-přepínání využívá elektro-optický modulátor (elektro-optický Q-přepínač) k řízení ztráty dutiny. Když je na elektro-optický modulátor přivedeno napětí, elektro-optický efekt (Pockelsův efekt) moduluje stav polarizace světla. Navíc umístění polarizátoru nebo rozdělovače polarizačního paprsku do rezonanční dutiny umožňuje kontrolu ztráty oscilací laseru. Elektro-optické Q-přepínání tedy dosahuje Q-přepínání spouštěného elektrickým signálem, čímž se generují laserové pulzy. Pro aplikace vyžadující přesný hluboký-UV výstup, jako je napřProdám UVC světlo 222 nmTato technologie zajišťuje stabilní pulzní ovládání.

Obrázek 1.9Struktura elektro-optického Q-spínaného laseru (zrcadlo, laserový krystal, polarizátor, elektro-optický Q-spínač, výstupní zrcadlo).

Zařízení, které moduluje stav polarizace světla pomocí Pockelsova jevu, se nazývá Pockelsova buňka. Struktura Pockelsovy buňky je znázorněna na obrázku 1.10. Pockelsův článek, kde je směr elektrického pole rovnoběžný se směrem oscilace laseru, se nazývá podélné zařízení; ten, kde je elektrické pole kolmé ke směru oscilace laseru, se nazývá příčné zařízení. V podélném zařízení je rozteč elektrod nezávislá na čisté velikosti otvoru a požadované napětí je také nezávislé na otvoru, takže je vhodný pro výrobu Pockelsových článků s velkými -aperturami. V příčném zařízení závisí rozteč elektrod na velikosti otvoru, takže není vhodný pro Pockelsovy články s velkou -aperturou, ale může do určité míry snížit napětí v aplikacích s malou -aperturou.

Obrázek 1.10Pockelsova buněčná struktura(a) Podélné zařízení (elektro{0}}optický materiál, elektrický signál) (b) Příčné zařízení (elektro-optický materiál, elektrický signál)

Technologie hlubokého ultrafialového 222 nm pevného-laseru

Napětí aplikované na Pockelsův článek, které vytváří fázový rozdíl π mezi výstupním a vstupním světlem, se nazývá půlvlnné napětí (napětí λ/2), obvykle v rozmezí stovek až tisíců voltů. Napětí, které vytváří fázový rozdíl π/2, se nazývá čtvrt{4}}vlnné napětí (napětí λ/4). Aplikace těchto napětí na Pockelsův článek poskytuje efekty ekvivalentní odpovídajícím vlnovým destičkám. V elektro-optickém Q-přepínači vložení polarizačního rozdělovače paprsku a přivedení čtvrt{10}}vlnného napětí způsobí, že světlo projde Pockelsovým článkem dvakrát za okrouhlý výlet a otočí směr polarizace o 90 stupňů. Polarizační rozdělovač paprsku pak blokuje šíření světla, čímž se mění ztráta dutiny. Tento princip je zásadní pro generování vysoce-špičkových{15}}pulsů výkonuvzdálené UVC světlo 222 nm Amazonkompatibilní dezinfekční systémy.

K výrobě elektro-optických Q-spínačů se používá řada krystalů:

Například,LiNbO₃krystaly mají malé variace v piezoelektrických koeficientech a široký teplotní adaptační rozsah (-50 až 60 stupňů), díky čemuž se běžně používají ve vojenských aplikacích.

KD₂PO₄ (KD*P)aKDPjsou komerčně běžné krystaly. Podélná zařízení se obvykle používají k eliminaci efektů chůze-. Piezoelektrický koeficient KDP je citlivý na teplotu-, náchylný k depolarizaci v důsledku tepelně indukovaného dvojlomu, který lze kompenzovat pomocí polarizačního rotátoru a dvou elektro-optických krystalů.

LGSa nelineární krystaly nabízejí výhody, jako je odolnost vůči rozvlnění a široká přenosová pásma, což ukazuje velký potenciál pro výrobu elektro-optických Q-přepínačů v222nm světlozdroje.

Periodicky kontrolovaný niobát lithný (PPLN)krystaly mohou fungovat jako ekvivalentní Braggovy modulátory. Jako Q-spínací zařízení mají nízké napětí (<200 V) and repetition rates up to 10 kHz, but their damage threshold needs improvement.

V současné době jsou tradiční elektro-optické krystaly omezeny na opakovací frekvence obecně pod 10 kHz kvůli faktorům, jako je vodivost a elektro{2}}optické koeficienty. Vznikající krystaly, jako je PPLN, jsou nezralé a nemohou udržet vysoký-nepřetržitý provoz. Však,RTP, BBOaLGSmůže dosáhnout vysokých opakovacích frekvencí (řádově 100 kHz): RTP má velký elektro-optický koeficient a čtvrt{2}}vlnné napětí pouze 1 kV; BBO má malý elektro-optický koeficient a čtvrt{5}}vlnné napětí do 3 kV; LGS vykazuje významnou optickou aktivitu, což komplikuje výrobu.

Tabulka 1.6Porovnání výkonu několika běžných krystalů pro elektro-optická Q-spínací zařízení [99−100]

Technologie přepínání Acousto-Optic Q-

Mechanismus akusticko{0}}optického Q-přepínání zahrnuje ultrazvukové vlny šířící se akusticko-optickým médiem, které odklánějí laserový paprsek, a tím řídí ztrátu dutiny. Struktura akusticko-optického Q-spínaného laseru je znázorněna na obrázku 1.11. Ve srovnání s elektro-optickým Q-přepínáním vyžaduje k dosažení pulzní modulace pouze akusticko-optický modulátor (akusticko{10}}optický Q-přepínač). Výsledkem je kompaktnější struktura ideální pro integrované222nm UVC světlosystémy.

Obrázek 1.11Struktura akusticko-optického Q-spínaného laseru (zrcadlo, laserový krystal, akusticko{2}}optický Q-spínač, výstupní zrcadlo).

Struktura a princip činnosti typického akusticko-optického modulátoru jsou znázorněny na obrázku 1.12:

Krystal je typickytavený křemenneboteluritové sklo, s antireflexními vrstvami na optických plochách.

Elektro-akustický měnič převádí vysokofrekvenční{1}}elektrický signál na ultrazvukové vlny, což způsobuje periodické změny indexu lomu akusticko-optického média a vytváří ekvivalentní objemovou mřížku.

Když je Braggova difrakční podmínka splněna, laser je difraktován, což má za následek vysokou ztrátu dutiny a nízkou hodnotu Q-, což zabraňuje oscilaci laseru. Po odstranění akustického pole se ztráta dutiny rychle snižuje a vytváří laserový pulz. Periodická modulace Q-hodnoty vytváří pulzní laserový výstup.

Obrázek 1.12Struktura a princip činnosti typického akusticko-optického modulátoru(a) RF off (vstupní paprsek, převodník, absorbér, difraktovaný paprsek) (b) RF on (vstupní paprsek, měnič, akustická vlna, absorbér, difraktovaný paprsek)

Při akusticko{0}}optickém Q-přepínání je ztráta v dutině jedním-průchodem přibližně 50 % a ztráta zpátečního-odpojení je přibližně 75 %. Ultrazvukové frekvence dosahují řádu 100 MHz, přičemž elektro-akustický měnič je řízen vysokofrekvenčními signály na úrovni wattů-. Velké modulátory vyžadují ~10 W RF napájení a vodní chlazení. Krystaly s vysokými elasto{13}}optickými koeficienty mohou snížit vysokofrekvenční výkon, ale mají nižší prahové hodnoty optického poškození než tavený křemen. Jedna strana krystalu je obvykle vybavena akustickým pohlcovačem, který udržuje šíření-akustické vlny. Úhel vychýlení paprsku při akusticko{17}}optickém Q-přepínání je přibližně 5 stupňů a maximální opakovací frekvence laseru může dosáhnout úrovně MHz-vhodné pro vysoké-rychlostiProdám UVC světlo 222 nmaplikací.

Pasivní Q{0}}přepínací technologie

Pasivní Q{0}}přepínání využívá saturovatelný absorbér k řízení ztráty dutiny, přičemž optická propustnost se mění s intenzitou absorbovaného laseru. Struktura pasivního Q-spínaného laseru je znázorněna na obrázku 1.13 a vyžaduje pouze saturovatelný absorpční krystal, což z něj činí nejjednodušší konfiguraci pro kompaktnívzdálené UVC světlo 222 nm Amazonmoduly.

Saturovatelné absorbéry se dělí na transmisivní (propustnost se zvyšuje s optickou mohutností) a reflexní (odrazivost se zvyšuje s optickou mohutností). Pracovní proces typického transmisního zařízení: zpočátku je propustnost nízká, což vede k vysoké ztrátě dutiny; jak se oscilace laseru hromadí a optický výkon se zvyšuje, propustnost stoupá k saturaci, snižuje ztrátu dutiny a generuje laserový puls; po pulsní emisi se výkon uvnitř dutiny sníží a propustnost také klesne, čímž se dokončí jeden Q-spínací cyklus.

Obrázek 1.13Pasivní Q-spínaný laser (zrcadlo, krystal laseru, krystal saturovatelného absorbéru, výstupní zrcadlo).

Mezi běžné saturovatelné absorbéry patříCr⁴⁺:YAG, V3⁺:YAG, SESAM, kvantové -tečkové-sklo na bázi sulfidu olovnatého, grafitové povlaky a jednostěnné uhlíkové nanotrubice-; poslední dva se obvykle používají pro zamykání- pasivního režimu.

Porovnání a výběr různých metod Q{0}}přepínání

Stručně řečeno, akustické-optické Q-přepínání je vhodnější pro lasery s nízkým- až středním-výkonem, včetně těch, které vyrábějí222nm světlopro dezinfekci. Tato kniha vybírá akustický-optický Q-přepínač jako Q-přepínací řešení pro laserový systém.

Nelineární frekvence-zdvojení krystalů

Nelineární konverze optické frekvence závisí na interakci mezi světlem a hmotou a vytváří nelineární efekty druhého-řádu, jako je generování druhé harmonické (SHG), generování součtové -frekvence (SFG), generování rozdílové{2}}frekvence (DFG) a optické usměrnění (OR). Mezi nimi je nejběžnější aplikace SHG: dva fotony o vlnové délce λ se nelineárně spojí, aby vytvořily foton o vlnové délce λ/2 – nezbytný pro generování222nm UVC světlood základů 444 nm.

Nelineární frekvence ultrafialového laseru{0}}Zdvojení krystalů

Čína dosáhla významného pokroku v oblasti nelineárních ultrafialových krystalů. Běžně používané krystaly:

LBO (LiB₃O₅, triboritan lithný): 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 krystaly možné); široký akceptační úhel, vysoká optická homogenita, nízká procházka-; fázové přizpůsobení laditelné úhlem nebo teplotou; vysoký práh poškození, nenavlhčí-. Široce se používá v laserech s vysokým-průměrným{5}}výkonem pro SHG, THG, čtvrtou harmonickou generaci (FOHG), SFG a DFG.

BBO ( -BaB₂O₄, beta-boritan barnatý): Vyvinuto Fujianským institutem pro výzkum struktury hmoty, Čínská akademie věd. Rozsah přenosu: 190–2500 nm; vysoký práh poškození, dobrá teplotní stabilita, široký fázové-pásmo shody, velký dvojlom, nízký rozptyl; ale malý úhel přijetí, velký{4}}odchýlení, mírně se rozvlní (vyžaduje ochranu povlakem). Průmyslově široce používané v ultrafialových laserech pro SHG, THG, FOHG, SFG a DFG, včetně222nm světlosystémy.

CBO (CsB₃O₅, triboritan cesný): Vyvinuto Fujianským institutem pro výzkum struktury hmoty, Čínská akademie věd. Rozsah přenosu: 170–3000 nm; vysoký práh poškození, velký nelineární optický koeficient, malý vycházkový-úhel. Potenciální aplikace v laserovém THG.

CLBO (CsLiB₆O₁₀, boritan cesium lithný): Vyvinutý Osaka University, Japonsko. Rozsah přenosu: 180–2750 nm; snadno se pěstují velké-kvalitní krystaly, malý chod{4}}, velký úhel přijetí, nízký dvojlom, nízké požadavky na kvalitu paprsku čerpadla; ale vysoce rozplývavá (vyžaduje utěsnění nebo skladování při vysoké teplotě). Nejčastěji se používá v experimentálním výzkumu.

BIBO (BiB₃O₆, triboritan vizmutitý): Monoklinický biaxiální krystal. Rozsah přenosu: 270–2600 nm; vysoký efektivní nelineární koeficient, vysoký práh poškození, nízký chod-off, široké přenosové pásmo, ne-vlnění. Slibná ve viditelných a ultrafialových oblastech, ale náročná na pěstování.

KBBF (KBe₂BO₃F₂, fluoroberylium borát draselný): Vyvinuto Fujianským institutem pro výzkum struktury hmoty, Čínská akademie věd. Hluboký-UV nelineární krystal. Rozsah přenosu: 155–3700 nm; střední dvojlom, široký fázové-rozsah; může dosáhnout nejkratší vlnové délky UV SHG 163,4 nm. Vysoce slibné pro UV/hluboké-UV aplikace, včetněProdám UVC světlo 222 nm, ale technologie růstu potřebuje zlepšení.

KABO (K₂Al₂B₂O7, boritan hlinitodraselný): Vyvinuto Fujianským institutem pro výzkum struktury hmoty, Čínská akademie věd. Rozsah přenosu: 180–3600 nm; dvojlom 0,074, malý efektivní nelineární koeficient; lepší než BBO, ale horší než CLBO.

RBBF (RbBe₂BO₃F₂, rubidium fluoroberylium borát): Zpráva Fujianského institutu pro výzkum struktury hmoty, Čínská akademie věd. Rozsah přenosu: 160–3550 nm; překonává potíže s růstem KBBF a tendenci k praskání, poskytuje velké krystaly, odolné proti rozplývavosti,-chemicky stabilní; deep-UV nelineární výkon mírně horší než KBBF.

Navíc, nové krystaly jako napřYCOB, GdCOB, ReCOBaLB4jsou ve výzkumu, ale nejsou široce používány kvůli technologii růstu a problémům s prahem poškození.

Výběr zdvojených krystalů-nelineární frekvence

U záporných jednoosých nelineárních krystalů zahrnují metody fázové -párování hlavně úhlové fázové přizpůsobení a teplotní fázové přizpůsobení:

Úhlové fázové přizpůsobení: Dosaženo výběrem směru šíření světla (kombinace polarizace a úhlu řezu krystalu). Dělí se na Typ I (o+o→e) a Typ II (o+e→e). Náchylný k paprsku chodit-off; je-li dopadající světlo kolmé k ose krystalové optiky (θ=90 stupeň), lze chůzi- eliminovat.

Teplotní fázové přizpůsobení: Využívá teplotní citlivost krystalového dvojlomu a disperze k dosažení fázové shody při θ=90 stupni.

Výraz efektivity konverze (bez chůze-off, rovinná vlna, malá-aproximace signálu): η=P3P1=ϵ0cn1n2n3λ32A8π2deff2L2P2A⋅sinc⁡2[∣cΔk∣L2]}\\eta {{3}{12]}\\eta {{3}P31}\\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}{2}\\right]η=P1​P3​​=8π2ϵ0​cn1​n2​n3​λ32​A​deff2​L2AP2​​⋅sinc2[2∣Δk∣L​], kde deffd_{\\text{eff}_1 je efektivní koeficient n_2n1​,n2​ jsou indexy lomu základního světla, n3n_3n3​ je index lomu součtu{60}}frekvenčního světla, LLL je délka optické dráhy v krystalu, Δk\\Delta kΔk je fázový nesoulad a P2/AP_2/AP2​/A je základní hustota výkonu světla.

Chcete-li zlepšit účinnost konverze, vyberte krystaly s vysokou deffd_{\\text{eff}}deff​ pod Δk=0\\Delta k=0Δk=0 (fázové přizpůsobení), vhodně zvyšte hustotu základního světelného výkonu a prodlužte délku krystalu-, která je kritická pro účinnost222nm UVC světlogenerace v praktických systémech.