Anwendungsaussichten des 222-nm-Lasers im Bereich der Herstellung photonischer Geräte 2

Anwendungsaussichten des 222-nm-Lasers im Bereich der Herstellung photonischer Geräte 2

1.4 Auswahl der technischen Route für 222-nm-Laser

Dieser Abschnitt konzentriert sich auf die Erforschung eines kompakten Festkörperzustands222 nm UV-LichtQuelle. Basierend auf der obigen Literaturübersicht über LD-gepumpte Festkörperlaser im tiefen Ultraviolett (DUV)- werden die Eigenschaften verschiedener Nd³⁺-dotierter quasi-drei-Systemverstärkungsmedien, LD-Pumpmethoden, Resonanzhohlräume, Q-Schaltmethoden und nichtlineare Frequenz-verdopplungskristalle analysiert und ausgewählt, um einen technischen Weg zur Erreichung zu formulieren222 nm UVAusgabe.

1.4.1 Laserkristall

1. Eigenschaften verschiedener Arten von Laserverstärkungsmedien

1) Stab-förmiges Verstärkungsmedium

Festkörperlaser mit stabförmigen Kristallen als Verstärkungsmedium bieten Vorteile wie einfache und kompakte Struktur, geringes Gewicht, gute Strahlqualität, hohe Effizienz und niedrige Kosten. Bisher wurden stabförmige Verstärkungsmedien häufig in Festkörperlasern mit niedriger-bis-mittlerer Leistung-verwendet, einschließlich ZielanwendungenFern-UVC-Lampe 222 nmTechnologie. Der Durchmesser stabförmiger Verstärkungsmedien beträgt im Allgemeinen einige Millimeter und die Länge reicht normalerweise von einigen Millimetern bis zu mehreren hundert Millimetern. Typischerweise werden die Pumpmethoden von Festkörperlasern mit stabförmigen Verstärkungsmedien anhand der Beziehung zwischen der Einfallsrichtung des Pumplichts und der Ausbreitungsrichtung des oszillierenden Lichts klassifiziert, nämlichLängspumpenUndQuerpumpen. Ihre Strukturen sind in Abbildung 1.1 (a) und (b) dargestellt. Längspumpen bezieht sich auf das Szenario, bei dem sich sowohl das Pumplicht als auch der oszillierende Laser in derselben Längsrichtung ausbreiten. Querpumpen bedeutet, dass das Pumplicht von der Seite des Lasermediums einfällt, während der oszillierende Laser in Längsrichtung schwingt. (Abbildung 1.1 Schematische Darstellungen stabförmiger Laserstrukturen mit Längs- und Querpumpen, einschließlich (a) Längspumpen- und (b) Querpumpenstrukturen)

Während des Laserbetriebs wird ein Teil der Pumplichtenergie nicht effektiv in Laserleistung umgewandelt, sondern liegt als Wärme im Laserkristall vor. Stab-förmige Laserkristalle leiten Wärme hauptsächlich über ihre Seiten ab, was zu einem radialen Temperaturgradienten im Kristall führt. Dieser Gradient führt zu Änderungen des Brechungsindexgradienten und zu einer thermischen Verformung der Endflächen des Kristalls, was letztendlich zu einem thermischen Linseneffekt, thermisch induzierter Doppelbrechung und thermisch induziertem Beugungsverlust führt. Diese Probleme schränken die Injektion hoher Pumpleistung ein und verschlechtern die Strahlqualität und Leistungsstabilität des Ausgangslasers, insbesondere bei kompakten Lasern222 nm UV-LichtSysteme. In den letzten Jahren wurde die Ausgangsleistung stabförmiger Laser trotz erheblicher Fortschritte in der LD-Pumpquellentechnologie [88] sowie Verbesserungen in der Wärmeableitungstechnologie und der Qualität gebundener Laserkristalle [89–90] erheblich verbessert. Allerdings leiden stabförmige Laser immer noch unter der unvermeidbaren nachteiligen Wirkung der thermischen Linsenbildung. Daher sind stabförmige Verstärkungsmedien im Allgemeinen für Laser mit niedriger-bis-Leistung geeignet.

2) Thin-disk Gain Medium

Wie in Abbildung 1.2 dargestellt, wird das dünne -Scheibenverstärkungsmedium zu einer sehr dünnen Scheibenstruktur entlang der Laserschwingungsrichtung verarbeitet, mit einer Dicke typischerweise im Bereich von 100 bis 300 μm und einem Durchmesser von 10 bis 20 mm. Die Totalreflexionsfilme sowohl für Pumplicht als auch für oszillierendes Licht werden auf eine Endfläche des dünnen Scheibenmediums aufgetragen, das dann in vollem Kontakt mit einem Kühlkörper befestigt und durch zirkulierendes Wasser gekühlt wird. (Abbildung 1.2 Schematische Darstellung einer dünnen -Scheibenlaserstruktur)

Diese Struktur sorgt für eine große Kontaktfläche zwischen der Endfläche des Mediums und dem Kühlkörper und erleichtert so die schnelle und ausreichende Ableitung der vom Verstärkungsmedium absorbierten Wärme über diese große Kontaktfläche. Die Richtung des Temperaturgradienten des Laserkristalls in dieser Struktur stimmt mit der Ausbreitungsrichtung des oszillierenden Lichts im Hohlraum überein. Theoretisch ist dieser Temperaturgradient gering und hat keinen Einfluss auf die Laserleistungseffizienz oder Strahlqualität. Im Vergleich zu stabförmigen Kristalllasern haben dünne Scheibenlaserkristalle eine größere Wärmeableitungsoberfläche und ein größeres Pumplichtvolumen, was zu einer höheren Wärmeableitungseffizienz und einer Eignung für Pumplicht mit hoher Leistung führt. Aufgrund der extrem geringen Dicke von dünnen -Scheibenlaserkristallen ist der Reflektor für das Pumplicht normalerweise in einer parabolischen Struktur gestaltet, damit das Pumplicht den dünnen -Scheibenkristall mehrmals passieren kann, wodurch die Nutzungseffizienz des Pumplichts verbessert wird. Unter den dünnen -Scheibenverstärkungsmedien haben Yb:YAG-Kristalle Vorteile wie einen kleinen Quantendefekt, eine einfache Energieniveaustruktur und keine parasitären Effekte (z. B. Absorption angeregter -Zustände (ESA), Aufwärtskonvertierung (ETU) und Kreuz-relaxation) [91]. Daher wurden dünne Scheibenverstärkungsmedien, die auf diesem Material basieren, in den letzten Jahren ausführlich untersucht und weisen ein erhebliches Potenzial für die Laserleistung mit hoher Leistung auf, wenn auch weniger häufig für Spezialanwendungen222-nm-GlühbirneEntwürfe. Die TRUMPF GmbH (Deutschland) hat einen Yb:YAG-Dünn--Scheibenlaser mit einer Mehrscheiben-Verstärkungsmediumstruktur entwickelt, der eine Ausgangsleistung im Kilowatt-Bereich erreicht.

3) Slab Gain Medium

Ähnlich wie Dünnscheibenlaser werden auch Plattenlaser entwickelt, um thermische Effekte zu berücksichtigen, die bei der Erzeugung von Hochleistungslasern auftreten. Ihre Struktur unterscheidet sich jedoch erheblich von der dünner -Scheiben-Verstärkungsmedien: Die Dicke der Platten-Verstärkungsmedien verringert sich in der Richtung senkrecht zum oszillierenden Licht, typischerweise auf einige Millimeter. Im Jahr 1972 stellten WS Martin et al. [92] schlugen den typischen Zig-Zag-Plattenlaser vor, dessen Struktur in Abbildung 1.3 dargestellt ist. Dabei wird eine seitliche Pumpmethode verwendet, bei der die Richtung des Temperaturgradienten im Verstärkungsmedium mit der Ausbreitungsrichtung des Pumplichts übereinstimmt (dh senkrecht zur großen Fläche des Kristalls). Um den thermischen Linseneffekt zu lösen, die Durchlässigkeit des oszillierenden Lichts zu erhöhen und den Reflexionsverlust des oszillierenden Lichts auf der lichtdurchlässigen Fläche der Platte zu verringern, wird die lichtdurchlässige Fläche des Verstärkungsmediums normalerweise im Brewster-Winkel geschnitten. Dadurch kann sich der oszillierende Laser durch mehrere Totalreflexionen an den großen Flächen des Verstärkungsmediums ausbreiten, wodurch die thermischen Effekte des Laserkristalls in Pumplichtrichtung ausgeglichen werden. Die Plattenstruktur spielt im Bereich der Laser mittlerer bis hoher Leistung eine wichtige Rolle. (Abbildung 1.3 Schematische Darstellung einer Slab-Laserstruktur)

4) Fasergewinnmedium

Faserlaser werden auf der Grundlage von Faserverstärkern entwickelt, wobei mit Seltenen -Erden- dotierte Glasfasern als Verstärkungsmedium verwendet werden. Aufgrund des großen Verhältnisses von Oberfläche-zu-Faserverstärkungsmedien bieten Faserlaser inhärente Vorteile bei der Wärmeableitungsleistung und vielversprechende Anwendungsaussichten im Bereich der Hochleistungslaser. Im Vergleich zu herkömmlichen Single-mode-Faserstrukturen verfügen doppelt-umhüllte Fasern über einen zusätzlichen Innenmantel, der aus vier Teilen besteht: Kern, Innenmantel, Außenmantel und Schutzschicht. Abbildung 1.4 zeigt das typische Strukturschema. Der Kern dient als Medium für die Laseroszillation, und je nach Kerngröße kann eine Einzelmode- oder Multimode-Laserleistung erzielt werden. (Abbildung 1.4 Schematische Darstellung einer Faserlaserstruktur)

Typischerweise werden unregelmäßige Strukturen (z. B. elliptisch, D-förmig, quadratisch und pflaumenblütenförmig) verwendet, um das Pumplicht in die Innenverkleidung einzukoppeln, ohne dass Anforderungen an den Eingangsmodus des Pumplichts gestellt werden. Das Pumplicht breitet sich zwischen der Innen- und Außenhülle hin und her aus und wird nach mehreren Durchgängen vom Kern absorbiert. Die äußerste Schicht ist die Schutzschicht der Faser. Unter den Seltenerdionen wie Nd³⁺, Er³⁺, Yb³⁺ und Tm³⁺ haben mit Yb³⁺-dotierte Doppel--Fasern viele Vorteile (z. B. extrem niedrige thermische Belastung, kleiner Quantendefekt und ein großer Wellenlängen-Ausgangsbereich (975–1180 nm) [93–94]), was sie derzeit zu den am häufigsten untersuchten Faserlasern macht.

5) Vergleich der Eigenschaften verschiedener Laserverstärkungsmedien

Obwohl dünne -Scheiben-, Platten- und Faserverstärkungsmedien eine Laserleistung mit hoher-Leistung begünstigen, weisen Laser mit dünnen -Scheiben- oder Plattenverstärkungsmedien relativ komplexe Strukturen, große Volumina und hohe Kosten auf. Ebenso sind Fasern lang und die Struktur von mit Nd³⁺-dotierten quasi-drei{7}}stabförmigen Fasern mit drei-Niveaus für das 0,9-μm-Band ist komplex, sperrig und teuer. Angesichts des Ziels dieser Studie-eine Kompaktheit zu entwickelnFern-UVC-Lampe 222 nmSystem-Die Nd³⁺-dotierten stabförmigen-Verstärkungsmedien werden als Laserkristall bevorzugt.

2. Nd³⁺-dotiertes quasi-drei-stufiges Systemverstärkungsmedium

Nd:YVO₄- und Nd:GdVO₄-Laserkristalle haben in ihren quasi-Drei---Niveausystemen eine Hauptemissionswellenlänge von 0,91 μm. Als wichtige Gewinnmedien für die Generierung222 nm UVDurch die vierfache Frequenzverdopplung weisen sie hervorragende physikalische und optische Eigenschaften auf. Neodym-dotierter Yttriumvanadat (Nd:YVO₄)-Kristall hat eine tetragonale Struktur und gehört zum einachsigen Kristallsystem. Seine Doppelbrechung Δn reicht von 0,2225 bis 0,254 und sein transparenter Wellenlängenbereich beträgt 0,45–4,8 μm. Mit einer Härte, die der von Glas nahe kommt, zerfließt es nicht so leicht und lässt sich leicht verarbeiten und beschichten. Damit ist er derzeit einer der am häufigsten verwendeten Laserkristalle. Tabelle 1.4 listet die physikalischen Eigenschaften des Nd:YVO₄-Kristalls auf. Der Emissionsquerschnitt von Nd:YVO₄ bei 0,914 μm (σ₉₁₄ₙₘ) beträgt etwa 19,5×10⁻²⁰ cm². Nahe der 808-nm-Bande weist der Nd:YVO₄-Kristall eine breite Absorptionsbande auf (ca. 21 nm). Die Absorptionseffizienz des Nd:YVO₄-Kristalls für Pumplicht hängt von der Polarisationsrichtung zwischen dem Pumplicht und dem Ausgangslaser ab, wobei die Absorptionseffizienz am höchsten ist, wenn die beiden Richtungen gleich sind. Bei Kristallen mit a--Achsenschnitt verläuft der E--Vektor des Lasers parallel zur π--Polarisationsrichtung der optischen Achse des Kristalls und senkrecht zur σ--Polarisationsrichtung der optischen Achse. Allerdings weist der Kristall im Vergleich zur σ--Polarisation eine stärkere Absorption von Pumplicht und eine stärkere Strahlung in der π--Polarisationsrichtung auf. Unterdessen ist die Frequenzverdopplungseffizienz von polarisiertem Licht während der Frequenzverdopplung relativ höher. Daher werden meist Nd:YVO₄-Kristalle mit a-Achsenschnitt und π-Polarisation verwendet.

Tabelle 1.4 Physikalische Eigenschaften von Nd:YVO₄-Kristallen

Die Energieniveaustruktur des Nd:YVO₄-Kristalls ist in Abbildung 1.5 dargestellt. Der Nd:YVO₄-Kristall weist hohe Absorptionsraten für Licht in der Nähe der 808-nm- und 879-nm-Banden auf. Partikel im Bodenenergieniveau absorbieren das Pumplicht und gehen in das ⁴F₅/₂-Energieniveau über. Allerdings ist die Lebensdauer von Teilchen im ⁴F₅/₂-Energieniveau sehr kurz (ungefähr 10⁻¹⁰ s) und sie gehen durch nicht-strahlende Relaxation schnell in das metastabile Energieniveau ⁴F₃/₂ über. (Abbildung 1.5 Schematische Darstellung der Energieniveaustruktur des Nd:YVO₄-Kristalls)

Die Lebensdauer von Teilchen im metastabilen Energieniveau ⁴F₃/₂ ist relativ lang (ungefähr 10⁻⁴ s), was die Voraussetzung für die Besetzungsinversion darstellt. Der Nd:YVO₄-Kristall hat vier Hauptübergangsenergieniveaus: ⁴F₃/₂→⁴I₁₁/₂, ⁴F₃/₂→⁴I₁₃/₂, ⁴F₃/₂→⁴I₁₅/₂ und ⁴F₃/₂→⁴I₉/₂, entsprechend Emissionswellenlängen von 1064 nm, 1342 nm, 1839 nm bzw. 914 nm. Bei Raumtemperatur weist die Spektrallinie bei 1064 nm den größten Emissionsquerschnitt und den höchsten Verstärkungskoeffizienten auf, gefolgt von der Spektrallinie bei 1342 nm, während die Spektrallinien bei 1839 nm und 914 nm den kleinsten aufweisen. Unter den oben genannten vier Energieniveauübergängen gehört der ⁴F₃/₂→⁴I₉/₂-Übergang zum quasi-drei--Niveausystem des Nd:YVO₄-Kristalls. Unter dem Einfluss des Wirtsgitterfeldes erfährt jedes Energieniveau von Nd³⁺-Ionen eine Stark-Spaltung. Das ⁴F₃/₂-Energieniveau des Lasers spaltet sich in zwei Unterniveaus (R₁ und R₂) auf, die sehr nahe beieinander liegen. Die Partikelpopulationen der Sub--Niveaus R₁ und R₂ folgen dem Boltzmann-Verteilungsgesetz und machen 55 % bzw. 45 % der gesamten Partikel im ⁴F₃/₂-Energieniveau aus. Das niedrigere Laserenergieniveau ⁴I₉/₂ unterliegt ebenfalls einer Stark-Aufspaltung und bildet 5 Unter--Niveaus (Z₁~Z₅), und die Teilchenpopulation in jedem Unter--Niveau folgt ebenfalls dem Boltzmann-Verteilungsgesetz. Die 914-nm-Spektrallinie wird durch den Übergang von Partikeln vom R₁-Sub--Niveau von ⁴F₃/₂ zum Z₅-Sub--Niveau von ⁴I₉/₂ erzeugt. Gemäß der Boltzmann-Verteilung macht die Teilchenpopulation im unteren Laser-Sub--Niveau Z₅ 5 % der gesamten Teilchen im ⁴I₉/₂-Energieniveau aus. Diese Partikel im unteren Sub--Niveau bewirken eine Reabsorption des 914-nm-Lasers, der durch den Übergang des Laserenergieniveaus ⁴F₃/₂→⁴I₉/₂ erzeugt wird, was die Schwellenleistung und die Effizienz der Ausgangssteilheit des Lasers erheblich beeinträchtigt. Daher sind eingehende Untersuchungen erforderlich, um den Einfluss der Reabsorption im Quasi-{39}}Drei--System wirksam zu unterdrücken und die Ausgangsleistung der Laserzielerfassung mit Quasi-{41}}Drei--Systemen zu verbessern222 nm UV-Licht.

GdVO₄ und YVO₄ sind Wirtskristallmaterialien mit derselben Struktur. Der Energieniveauübergang ⁴F₃/₂→⁴I₉/₂ des quasi-drei--Niveausystems des Nd:GdVO₄-Kristalls erzeugt einen 912-nm-Laser. Tabelle 1.5 vergleicht die wichtigsten Leistungsparameter der Nd:YVO₄- und Nd:GdVO₄-Kristalle in ihren quasi-Drei--Niveausystemen, einschließlich Grundwellenlänge, Frequenz-verdoppelte Wellenlänge, stimulierter Emissionsquerschnitt-, Lebensdauer der oberen-Niveaus, Absorptionsquerschnitt-, Absorptionsbandbreite und Wärmeleitfähigkeit.

Tabelle 1.5 Vergleich der Leistungsparameter von Nd:YVO₄- und Nd:GdVO₄-Kristallen in Quasi-drei--Ebenen-Systemen

Durch den obigen Vergleich der physikalischen und optischen Eigenschaften haben die Nd:YVO₄- und Nd:GdVO₄-Kristalle jeweils ihre eigenen Eigenschaften als mögliche Verstärkungsmedien. Im Vergleich zu Nd:GdVO₄ weist der Nd:YVO₄-Kristall eine größere Absorptionsbandbreite in der Nähe des 808-nm-Bandes auf, was die Anforderungen an Pumpquellen und Temperaturkontrolltechnologie reduziert und relativ entspannte äußere Betriebsbedingungen des Lasers ermöglicht. Darüber hinaus hat es eine etwas längere Lebensdauer im oberen -Bereich (geeignet für gepulste Laser) und Kostenvorteile. Daher wurde in dieser Studie der Nd:YVO₄-Kristall als Laserverstärkungsmedium ausgewählt, um eine Effizienz zu erzielen222-nm-GlühbirnePrototypen.

1.4.2 Pumpmethode

Bei LD-gepumpten Festkörperlasern- gibt es mehrere Methoden, um das emittierte Licht von LD in das Laserverstärkungsmedium einzukoppeln. Typischerweise werden diese Methoden basierend auf der Beziehung zwischen den Ausbreitungsrichtungen des Pumplichts und des oszillierenden Lasers in zwei Typen eingeteilt:Endpumpen (längs)UndSeitenpumpen (quer)(siehe Abbildung 1.1). Die strukturellen Eigenschaften dieser beiden Pumpmethoden werden im Folgenden analysiert und verglichen.

1. Beenden Sie das Pumpen

LD-End-gepumpte Festkörperlaser mit niedriger-bis-mittlerer Leistung-haben die Vorteile einer einfachen und kompakten Struktur, einer guten Strahlqualität und eines hohen Wirkungsgrads, was sie zu den am häufigsten verwendeten Lasern macht, insbesondere in222 nm UVGenerationsaufbauten. Sie bestehen im Wesentlichen aus drei Teilen: LD-Pumpquelle, optischem Kopplungssystem und Festkörperlaser. Ihre Struktur ist in Abbildung 1.1 (a) dargestellt. Der vom LD emittierte Laser wird zum Pumpen entlang der Richtung des oszillierenden Lichts im Hohlraum übertragen und der Strahl wird in das Verstärkungsmedium fokussiert. Durch die Optimierung der Parameter des Resonanzhohlraums kann ein geeignetes Punktgrößenverhältnis zwischen dem Pumplicht und dem oszillierenden Licht (dh Modenanpassung) erreicht werden. Dieses Verhältnis hat einen erheblichen Einfluss auf die Pumpeffizienz des Pumplichts und die Ausgangsleistung des Lasers. Darüber hinaus breitet sich das Pumplicht über eine lange Distanz im Laserkristall aus und wird vollständig vom Kristall absorbiert, was bei dieser Pumpmethode zu einer niedrigen Pumpschwellenleistung und einer hohen Slope-Effizienz des Lasers führt. Daher wird die LD-End--Pumptechnologie häufig in Festkörperlasern mit niedriger-bis-mittlerer Leistung-und hoher Strahlqualität und hoher Umwandlungseffizienz eingesetzt. Es gibt zwei Haupttypen der Endpumptechnologie:

Das emittierte Licht der Laserdiode wird über ein optisches Kopplungssystem direkt in den Laserkristall eingekoppelt. Durch die Optimierung des Designs des Hohlraumresonators und der Parameter des Kopplungssystems kann die optimale Überlappung zwischen dem Pumpstrahl und dem oszillierenden Strahl erreicht werden.

Das Ausgangslicht des LD wird zunächst in eine optische Faser eingekoppelt und dann über den Faserausgang in das Laserverstärkungsmedium injiziert. Diese Methode isoliert nicht nur den Festkörperlaser von der Laserdiode, um die gegenseitige Beeinflussung durch thermische Effekte zu reduzieren, sondern ermöglicht es der Faser auch, das Ausgangslicht des LD zu formen, was der Erzielung einer Modenanpassung förderlich ist.

2. Seitliches Pumpen

Obwohl die Endpumpstruktur die Vorteile einer hohen Effizienz und einer guten Strahlqualität bietet, kann sie aufgrund der Einschränkungen der kleinen Pumpfläche des Laserkristalls und der nachteiligen Wirkung der thermischen Linsenbildung keine hohe Pumpleistung einspeisen. Mit der Steigerung der LD-Ausgangsleistung und Verbesserungen in der Wärmeableitungstechnologie haben Forscher die Parameter von Laserkristallen mithilfe mehrerer LD-Arrays optimiert, die auf der Struktur von lampengepumpten Lasern basieren und die Pumplichtenergie von der Oberfläche des Zylinders oder Quaders in den Kristall injizieren. Diese Pumpmethode vergrößert die Pumplicht-Injektionsfläche und die Wärmeableitungsfläche des Laserkristalls und verbessert dadurch sowohl die Injektionsleistung als auch die Ausgangsleistung erheblich. Darüber hinaus trägt die vergrößerte Größe des Verstärkungsmediums auch zu einer gewissen Steigerung der Laserausgangsleistung bei. Die Struktur des Seitenpumpens ist in Abbildung 1.1 (b) dargestellt. Derzeit verwenden die meisten Festkörperlaser mit einer Ausgangsleistung von Hunderten von Watt bis hin zu Kilowatt die seitliche Pumpstruktur.

3. Vergleich der beiden Pumpmethoden

Das LD-Endpumpen bietet die Vorteile einer einfachen und kompakten Struktur, eines hohen Wirkungsgrads und einer guten Strahlqualität. Obwohl LD-seitiges Pumpen eine Laserleistung mit hoher -Leistung begünstigt, weist es eine relativ komplexe Struktur und ein großes Volumen auf. Daher wird in dieser Studie die LD-End--Pumpmethode für Kompaktkörper verwendetFern-UVC-Lampe 222 nmAnwendungen.

1.4.3 Laserresonanzhohlraum

Bei allen-Festkörperlasern-hat die Auswahl des Laserresonators einen erheblichen Einfluss auf die Laserausgangsleistung. Nach der Bestimmung der Parameter des Laserkristalls muss basierend auf den Anforderungen an die Laserausgangsleistung ein geeigneter Hohlraumresonator ausgewählt werden. Aus der obigen Analyse des Energieniveausystems des Nd³⁺-dotierten Verstärkungsmediums geht hervor, dass das quasi-Drei--Niveausystem einen kleinen Emissionsquerschnitt- aufweist und unter Reabsorption leidet. Diese nachteiligen Faktoren haben einen nicht-vernachlässigbaren Einfluss auf die Erzielung einer hohen-Leistung und einer hohen-Strahlqualität-Grundfrequenz-Lichtleistung. Daher müssen bei der Auswahl der Resonanzhohlraumstruktur zwei Aspekte berücksichtigt werden: Sie sollte dazu beitragen, die Ausgabe von Grundfrequenzlicht zu verbessern und eine hohe Frequenzverdopplungseffizienz zu erreichen. Aus der obigen Literaturübersicht zu DUV-Festkörperlasern geht hervor, dass die einfachste Methode zur Erzeugung der vierten Harmonischen für Systeme mit vier-Niveaus darin besteht, die zweite Harmonische außerhalb des Hohlraums zu erzeugen. Für das in dieser Studie verwendete Quasi--Drei---System wird jedoch der Wirkungsgrad der Frequenzverdopplung, der durch die Erzeugung der zweiten Harmonischen außerhalb des Hohlraums erzielt wird, recht niedrig sein. Daher effektiv generieren222 nm UV-Licht, ist es notwendig, eine Resonanzhohlraumstruktur umfassend zu berücksichtigen und auszuwählen, die einfach zu implementieren ist und eine hocheffiziente Frequenzverdopplung ermöglicht.

Um die Effizienz der Frequenzverdopplung zu verbessern, wird der Frequenzverdopplungskristall normalerweise innerhalb der Laserkavität platziert (d. h.Frequenzverdoppelung innerhalb des Hohlraums). Dadurch kann das Grundfrequenzlicht den Frequenzverdopplungskristall mehrmals durchlaufen (hin und her), wodurch die Ausnutzungsrate des Grundfrequenzlichts verbessert wird. Zu den am häufigsten verwendeten Hohlraumtypen gehören:gerade-resonatorinterne Frequenzverdoppelung, V-resonatorinterne Frequenzverdoppelung, UndZ-Verdoppelung der Intracavity-Frequenz, deren Strukturen in den Abbildungen 1.6–1.8 dargestellt sind. Eine ähnlich wirksame Methode besteht darin, einen Hohlraumresonator außerhalb des Hohlraums zu verwenden, um die Umlaufleistung der Grundwelle, der harmonischen Welle oder beider zu erhöhen.

Die gerade -Hohlraumstruktur bietet die Vorteile eines einfachen und kompakten Designs und einer einfachen Anpassung, ihre Frequenzverdopplungseffizienz ist jedoch gering. Dies liegt daran, dass die Punktgrößen auf dem Laserverstärkungsmedium und dem Frequenzverdopplungskristall nicht frei gewählt werden können, was es unmöglich macht, sowohl eine Strahlmodusanpassung als auch eine Hochfrequenzverdopplungseffizienz zu erreichen. Daher ist die gerade-Hohlraumstruktur nicht für das mit Nd³⁺-dotierte quasi-drei-stufige Systemverstärkungsmedium geeignet.

Die V--Hohlraumresonanzstruktur verfügt über zwei relativ unabhängige Strahltaillen an ihren beiden Armen, die gleichzeitig die Bedingungen der Modenanpassung und der hocheffizienten Frequenzverdopplung erfüllen können. Allerdings leidet er unter Astigmatismus, der die Strahlqualität der Laserleistung beeinträchtigt.

Der Z--Hohlraum weist eine hohe Frequenzverdopplungseffizienz und eine gute thermische Stabilität auf, mit einer etwas besseren Strahlqualität als der V--Hohlraum. Es weist jedoch eine komplexe Struktur und große Verluste innerhalb des Hohlraums auf.

Für den Hohlraumresonator außerhalb des Hohlraums ist ein Breitbandservo erforderlich, um die Hohlraumlänge präzise zu steuern, und die Durchlässigkeit des Eingangsspiegels für das einfallende Licht muss impedanzmäßig an den gesamten Hohlraumverlust angepasst sein, um die höchste Umwandlungseffizienz zu erreichen. Dadurch ergibt sich ein relativ komplexer Gesamtaufbau. (Abbildung 1.6 Schematische Darstellung der LD-Ende-gepumpten geraden-Resonator-Frequenzverdopplungsstruktur) (Abbildung 1.7 Schematische Darstellung der LD-Ende-gepumpten V-Resonator-Frequenzverdopplungsstruktur) (Abbildung 1.8 Schematische Darstellung der LD-Ende-gepumpten Z-Resonator-Frequenzverdopplungsstruktur Struktur)

Basierend auf der obigen Analyse wird in dieser Studie der V--förmige Laserresonanzhohlraum mit Erzeugung der zweiten Harmonischen innerhalb des Hohlraums bevorzugt, und zur Optimierung wird eine relativ einfache Linsenfokussierungsmethode für den vierfachen Frequenzverdopplungsteil außerhalb des Hohlraums angewendet222-nm-GlühbirneLeistung.