Anwendungsaussichten des 222-nm-Lasers im Bereich der Herstellung photonischer Geräte 3

Anwendungsaussichten des 222-nm-Lasers im Bereich der Herstellung photonischer Geräte 3
Elektro-Optische Q-Schalttechnologie

Die Struktur eines elektro-optischen Q-geschalteten Lasers ist in Abbildung 1.9 dargestellt. Beim elektro-optischen Q--Schalter wird ein elektro-optischer Modulator (elektro-optischer Q--Schalter verwendet, um den Hohlraumverlust zu steuern. Wenn Spannung an den elektro-optischen Modulator angelegt wird, moduliert der elektro-optische Effekt (Pockels-Effekt) den Polarisationszustand des Lichts. Darüber hinaus ermöglicht die Platzierung eines Polarisators oder polarisierenden Strahlteilers im Resonanzhohlraum die Kontrolle des Laseroszillationsverlusts. Somit wird beim elektro-optischen Q--Schaltvorgang ein Q--Schaltvorgang erreicht, der durch ein elektrisches Signal ausgelöst wird, wodurch Laserimpulse erzeugt werden. Für Anwendungen, die eine präzise Ausgabe im tiefen UV-Bereich erfordern, z. B222 nm fernes UVC-Licht zu verkaufenDiese Technologie sorgt für eine stabile Pulskontrolle.

Abbildung 1.9Struktur eines elektro-optischen Q-geschalteten Lasers (Spiegel, Laserkristall, Polarisator, elektro-optischer Q-Schalter, Ausgangsspiegel).

Das Gerät, das den Polarisationszustand von Licht mithilfe des Pockels-Effekts moduliert, wird Pockels-Zelle genannt. Der Aufbau einer Pockelszelle ist in Abbildung 1.10 dargestellt. Eine Pockels-Zelle, bei der die Richtung des elektrischen Feldes parallel zur Laseroszillationsrichtung verläuft, wird als Longitudinalelement bezeichnet; Ein Gerät, bei dem das elektrische Feld senkrecht zur Laserschwingungsrichtung verläuft, wird als transversales Gerät bezeichnet. In einem Längsbauelement ist der Elektrodenabstand unabhängig von der lichten Aperturgröße und die erforderliche Spannung ist auch unabhängig von der Apertur, wodurch es für die Herstellung von Pockels-Zellen mit großer -Apertur geeignet ist. In einem transversalen Gerät hängt der Elektrodenabstand von der Aperturgröße ab, sodass es nicht für Pockels-Zellen mit großer -Apertur geeignet ist, bei Anwendungen mit kleiner -Apertur jedoch die Spannung bis zu einem gewissen Grad reduzieren kann.

Abbildung 1.10Pockels-Zellstruktur(a) Längsvorrichtung (elektro-optisches Material, elektrisches Signal) (b) Quervorrichtung (elektro-optisches Material, elektrisches Signal)

Tief-ultraviolette 222-nm-Festkörperlasertechnologie

Die an eine Pockels-Zelle angelegte Spannung, die eine Phasendifferenz von π zwischen Ausgangs- und Eingangslicht erzeugt, wird als Halbwellenspannung (λ/2-Spannung) bezeichnet und liegt typischerweise im Bereich von Hunderten bis Tausenden von Volt. Die Spannung, die eine Phasendifferenz von π/2 erzeugt, wird als Viertelwellenspannung (λ/4-Spannung) bezeichnet. Das Anlegen dieser Spannungen an eine Pockels-Zelle führt zu Effekten, die den entsprechenden Wellenplatten entsprechen. In einem elektro-optischen Q--Schalter führt das Einsetzen eines polarisierenden Strahlteilers und das Anlegen einer Viertelwellenspannung dazu, dass das Licht die Pockels-Zelle zweimal in einem Hin- und Rückweg durchläuft und dabei die Polarisationsrichtung um 90 Grad dreht. Der polarisierende Strahlteiler blockiert dann die Lichtausbreitung und verändert dadurch den Hohlraumverlust. Dieses Prinzip ist entscheidend für die Erzeugung von Impulsen mit hoher -Spitzenleistung-fernes UVC-Licht 222 nm Amazonkompatible Desinfektionssysteme.

Zur Herstellung elektro-optischer Q--Schalter werden zahlreiche Kristalle verwendet:

Zum Beispiel,LiNbO₃Kristalle weisen geringe Schwankungen der piezoelektrischen Koeffizienten und einen großen Temperaturanpassungsbereich (–50 bis 60 Grad) auf, weshalb sie häufig in militärischen Anwendungen eingesetzt werden.

KD₂PO₄ (KD*P)UndKDPsind kommerziell übliche Kristalle. Längsvorrichtungen werden typischerweise verwendet, um Walk-off-Effekte zu eliminieren. Der piezoelektrische Koeffizient von KDP ist temperaturempfindlich und neigt aufgrund thermisch induzierter Doppelbrechung zur Depolarisation, die mithilfe eines Polarisationsrotators und zweier elektro{4}optischer Kristalle kompensiert werden kann.

LGSund nichtlineare Kristalle bieten Vorteile wie Zerfließensbeständigkeit und breite Übertragungsbänder und zeigen ein großes Potenzial für die Herstellung elektro-optischer Q--Schalter222 nm LichtQuellen.

Periodisch gepoltes Lithiumniobat (PPLN)Kristalle können als äquivalente Bragg-Modulatoren fungieren. Als Q--Schaltgeräte verfügen sie über eine Niederspannung (<200 V) and repetition rates up to 10 kHz, but their damage threshold needs improvement.

Derzeit sind herkömmliche elektro{0}}optische Kristalle aufgrund von Faktoren wie Leitfähigkeit und elektro{2}optischen Koeffizienten auf Wiederholungsraten im Allgemeinen unter 10 kHz beschränkt. Neue Kristalle wie PPLN sind unreif und können keinen Dauerbetrieb mit hoher Leistung aufrechterhalten. Jedoch,RTP, BBO, UndLGSkann hohe Wiederholungsraten (in der Größenordnung von 100 kHz) erreichen: RTP hat einen großen elektro-optischen Koeffizienten und eine Viertelwellenspannung von nur 1 kV; BBO hat einen kleinen elektro-optischen Koeffizienten und eine Viertelwellenspannung von bis zu 3 kV; LGS weist eine erhebliche optische Aktivität auf, was die Herstellung erschwert.

Tabelle 1.6Leistungsvergleich mehrerer gängiger Kristalle für elektro-optische Q--Schaltgeräte [99–100]

Acousto-Optic Q-Switching-Technologie

Der Mechanismus der akusto-optischen Q--Schaltung beinhaltet Ultraschallwellen, die sich durch ein akusto-optisches Medium ausbreiten, um den Laserstrahl abzulenken und so den Hohlraumverlust zu kontrollieren. Die Struktur eines akusto-optischen gütegeschalteten Lasers ist in Abbildung 1.11 dargestellt. Im Vergleich zur elektro-optischen Q--Schaltung ist nur ein akusto-optischer Modulator (akust-optischer Q--Schalter erforderlich, um eine Pulsmodulation zu erreichen, was zu einer kompakteren Struktur führt, die sich ideal für die Integration eignet222 nm UVC-LichtSysteme.

Abbildung 1.11Struktur eines akusto-optischen Q--geschalteten Lasers (Spiegel, Laserkristall, akusto-optischer Q--Schalter, Ausgangsspiegel).

Der Aufbau und das Funktionsprinzip eines typischen akusto{0}optischen Modulators sind in Abbildung 1.12 dargestellt:

Der Kristall ist typischerweiseQuarzglasoderTelluritglas, mit Antireflexbeschichtungen auf den optischen Flächen.

Der elektro{0}}akustische Wandler wandelt ein hochfrequentes elektrisches Signal in Ultraschallwellen um, wodurch sich der Brechungsindex des akusto{2}}optischen Mediums periodisch ändert und ein äquivalentes Volumengitter entsteht.

Wenn die Bragg-Beugungsbedingung erfüllt ist, wird der Laser gebeugt, was zu einem hohen Hohlraumverlust und einem niedrigen Q--Wert führt und eine Laseroszillation verhindert. Nachdem das akustische Feld entfernt wurde, nimmt der Hohlraumverlust schnell ab und es entsteht ein Laserimpuls. Die periodische Modulation des Q--Wertes erzeugt eine gepulste Laserleistung.

Abbildung 1.12Struktur und Funktionsprinzip eines typischen akusto{0}}optischen Modulators(a) RF aus (Eingangsstrahl, Wandler, Absorber, gebeugter Strahl) (b) HF ein (Eingangsstrahl, Wandler, akustische Welle, Absorber, gebeugter Strahl)

Beim akusto{0}optischen Q--Schalten beträgt der Single-{2}}Hohlraumverlust etwa 50 % und der Round-{4}Trip-Verlust etwa 75 %. Ultraschallfrequenzen erreichen die Größenordnung von 100 MHz, wobei der elektroakustische Wandler durch HF-Signale auf Wattebene angetrieben wird. Große Modulatoren erfordern eine HF-Leistung von ca. 10 W und Wasserkühlung. Kristalle mit hohen elasto-optischen Koeffizienten können die HF-Leistung reduzieren, haben aber niedrigere optische Schadensschwellen als Quarzglas. Eine Seite des Kristalls ist typischerweise mit einem akustischen Absorber ausgestattet, um die Ausbreitung akustischer Wanderwellen aufrechtzuerhalten. Der Strahlablenkungswinkel beim akusto-optischen Q-Umschalten beträgt ungefähr 5 Grad, und die maximale Laserwiederholungsrate kann den MHz-Wert erreichen, der für hohe-Geschwindigkeiten geeignet ist222 nm fernes UVC-Licht zu verkaufenAnwendungen.

Passive Q-Switching-Technologie

Beim passiven Q--Schalten wird ein sättigbarer Absorber verwendet, um den Hohlraumverlust zu kontrollieren, wobei die optische Durchlässigkeit mit der absorbierten Laserintensität variiert. Die Struktur eines passiven gütegeschalteten Lasers ist in Abbildung 1.13 dargestellt. Er erfordert nur einen sättigbaren Absorberkristall und ist damit die einfachste Konfiguration für kompakte Systemefernes UVC-Licht 222 nm AmazonModule.

Sättigbare Absorber werden in durchlässige Typen (die Durchlässigkeit steigt mit der optischen Leistung) und reflektierende Typen (die Reflexion nimmt mit der optischen Leistung zu) unterteilt. Der Arbeitsprozess eines typischen transmissiven Geräts: Anfangs ist die Transmission gering, was zu einem hohen Hohlraumverlust führt; Wenn sich die Laserschwingung aufbaut und die optische Leistung zunimmt, steigt die Durchlässigkeit bis zur Sättigung, wodurch der Hohlraumverlust verringert und ein Laserimpuls erzeugt wird. Nach der Impulsemission nimmt die Leistung innerhalb des Hohlraums ab und auch die Transmission sinkt, wodurch ein Q--Schaltzyklus abgeschlossen wird.

Abbildung 1.13Passiver gütegeschalteter Laser (Spiegel, Laserkristall, sättigbarer Absorberkristall, Ausgangsspiegel).

Zu den üblichen sättigbaren Absorbern gehören:Cr⁴⁺:YAG, V³⁺:YAG, SESAM, quanten{0}}punkt-basiertes Bleisulfidglas, Graphitbeschichtungen und einwandige Kohlenstoffnanoröhren; Die beiden letzteren werden normalerweise für die Sperrung im passiven Modus- verwendet.

Vergleich und Auswahl verschiedener Q-Switching-Methoden

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die akusto{0}}optische Güte-schaltung besser für Laser mit niedriger- bis mittlerer-Leistung geeignet ist, einschließlich solcher, die produzieren222 nm Lichtzur Desinfektion. In diesem Buch wird ein akusto-optischer Q--Schalter als Q--Schalterlösung für das Lasersystem ausgewählt.

Nichtlineare Frequenz-Verdoppelungskristalle

Die nichtlineare optische Frequenzumwandlung beruht auf der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie und erzeugt nichtlineare Effekte zweiter -Ordnung wie die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG), die Erzeugung der Summenfrequenz (SFG), die Erzeugung der Differenzfrequenz (DFG) und die optische Gleichrichtung (OR). Unter diesen ist SHG die häufigste Anwendung: Zwei Photonen der Wellenlänge λ verbinden sich nichtlinear zu einem Photon der Wellenlänge λ/2, das für die Erzeugung unerlässlich ist222 nm UVC-Lichtvon 444 nm Grundlagen.

Nichtlineare Frequenz des ultravioletten Lasers-Verdopplungskristalle

China hat bei nichtlinearen Ultraviolettkristallen erhebliche Fortschritte erzielt. Die folgenden Kristalle werden häufig verwendet:

LBO (LiB₃O₅, Lithiumtriborat): 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 Kristalle möglich); großer Akzeptanzwinkel, hohe optische Homogenität, geringer Walk-Off; Phasenanpassung durch Winkel oder Temperatur einstellbar; hohe Schadensschwelle, nicht-zerfließend. Weit verbreitet in Lasern mit hoher-durchschnittlicher-Leistung für SHG, THG, vierte Harmonische Generation (FOHG), SFG und DFG.

BBO (-BaB₂O₄, beta-Bariumborat): Entwickelt vom Fujian Institute of Research on the Structure of Matter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Übertragungsbereich: 190–2500 nm; hohe Zerstörschwelle, gute Temperaturstabilität, breites Phasenanpassungsband, große Doppelbrechung, geringe Dispersion; aber kleiner Akzeptanzwinkel, großer Walk-, leicht zerfließend (erfordert Beschichtungsschutz). Industriell weit verbreitet in Ultraviolettlasern für SHG, THG, FOHG, SFG und DFG, einschließlich222 nm LichtSysteme.

CBO (CsB₃O₅, Cäsiumtriborat): Entwickelt vom Fujian Institute of Research on the Structure of Matter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Übertragungsbereich: 170–3000 nm; hohe Schadensschwelle, großer nichtlinearer optischer Koeffizient, kleiner Walk-off-Winkel. Mögliche Anwendungen im Laser-THG.

CLBO (CsLiB₆O₁₀, Cäsiumlithiumborat): Entwickelt von der Universität Osaka, Japan. Übertragungsbereich: 180–2750 nm; einfach zu züchtende große Kristalle hoher Qualität, geringer Walk-Off, großer Akzeptanzwinkel, geringe Doppelbrechung, geringe Anforderungen an die Pumpstrahlqualität; aber stark zerfließend (erfordert Versiegelung oder Lagerung bei hohen Temperaturen). Wird hauptsächlich in der experimentellen Forschung verwendet.

BIBO (BiB₃O₆, Wismuttriborat): Monokliner biaxialer Kristall. Übertragungsbereich: 270–2600 nm; hoher effektiver nichtlinearer Koeffizient, hohe Schadensschwelle, geringer Walk-Off, breites Übertragungsband, nicht zerfließend. Vielversprechend im sichtbaren und ultravioletten Bereich, aber schwierig zu züchten.

KBBF (KBe₂BO₃F₂, Kaliumfluoroberylliumborat): Entwickelt vom Fujian Institute of Research on the Structure of Matter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Nichtlinearer Kristall im tiefen-UV. Übertragungsbereich: 155–3700 nm; mäßige Doppelbrechung, großer Phasenanpassungsbereich; kann die kürzeste UV-SHG-Wellenlänge von 163,4 nm erreichen. Sehr vielversprechend für UV-/Tief-{8}}UV-Anwendungen, einschließlich222 nm fernes UVC-Licht zu verkaufen, aber die Wachstumstechnologie muss verbessert werden.

KABO (K₂Al₂B₂O₇, Kaliumaluminiumborat): Entwickelt vom Fujian Institute of Research on the Structure of Matter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Übertragungsbereich: 180–3600 nm; Doppelbrechung 0,074, kleiner effektiver nichtlinearer Koeffizient; Akzeptanz und Walk-Off-Winkel besser als BBO, aber schlechter als CLBO.

RBBF (RbBe₂BO₃F₂, Rubidiumfluoroberylliumborat): Bericht des Fujian Institute of Research on the Structure of Matter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Übertragungsbereich: 160–3550 nm; überwindet die Wachstumsschwierigkeiten und die Rissbildungstendenz von KBBF, ergibt große Kristalle, zerfließen-resistent, chemisch stabil; Die nichtlineare Leistung im tiefen-UV ist etwas schlechter als die von KBBF.

Darüber hinaus sind neuartige Kristalle wie zYCOB, GdCOB, ReCOB, UndLB4werden derzeit erforscht, aber aufgrund von Wachstumstechnologien und Schadensschwellenproblemen nicht weit verbreitet angewendet.

Auswahl nichtlinearer Frequenz-verdopplungskristalle

Für negative einachsige nichtlineare Kristalle umfassen Phasenanpassungsmethoden hauptsächlich Winkelphasenanpassung und Temperaturphasenanpassung:

Winkelphasenanpassung: Wird durch Auswahl der Lichtausbreitungsrichtung (Kombination von Polarisation und Kristallschnittwinkel) erreicht. Unterteilt in Typ I (o+o→e) und Typ II (o+e→e). Anfällig für Beamwalk-off; Wenn das einfallende Licht senkrecht zur optischen Kristallachse (θ=90 Grad) ist, kann Walk-off eliminiert werden.

Temperaturphasenanpassung: Nutzt die Temperaturempfindlichkeit der Kristalldoppelbrechung und -dispersion, um eine Phasenanpassung bei θ=90 Grad zu erreichen.

Ausdruck der Konvertierungseffizienz (kein Walk-off, ebene Welle, kleine-Signalnäherung): η=P3P1=ϵ0cn1n2n3λ32A8π2deff2L2P2A⋅sinc⁡2[∣Δk∣L2]\\eta=\\frac{P_3}{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​] wobei deffd_{\\text{eff}}deff​ der effektive nichtlineare Koeffizient n1,n2n_1 ist, n_2n1​,n2​ sind Brechungsindizes des Grundlichts, n3n_3n3​ ist der Brechungsindex des Summenfrequenzlichts, LLL ist die optische Weglänge im Kristall, Δk\\Delta kΔk ist die Phasenfehlanpassung und P2/AP_2/AP2​/A ist die Grundlichtleistungsdichte.

Um die Umwandlungseffizienz zu verbessern, wählen Sie Kristalle mit hohem deffd_{\\text{eff}}deff​ unter Δk=0\\Delta k=0Δk=0 (Phasenanpassung), erhöhen Sie entsprechend die grundlegende Lichtleistungsdichte und verlängern Sie die für die Effizienz entscheidende Kristalllänge-222 nm UVC-LichtErzeugung in praktischen Systemen.