5.1 Experimentelles Schema eines 222-nm-Festkörperlasers
5.1.1 Experimenteller Aufbau des Lasersystems
Der Versuchsaufbau desFern-UVC 222 nmEin tief--ultravioletter Laser ist in Abbildung 5.1 dargestellt, der eine V--förmige Resonanzhohlraumstruktur mit Erzeugung der zweiten Harmonischen innerhalb des Hohlraums und der Erzeugung der vierten Harmonischen außerhalb des Hohlraums annimmt. Die Pumpquelle ist ein fasergekoppeltes Laserdiodenarray mit einer maximalen Ausgangsleistung von 110 W. Durch Temperaturanpassung stimmt die zentrale Wellenlänge des Pumplichts mit der zentralen Absorptionswellenlänge von Nd:YVO₄ überein und es wird über ein Kollimations- und Fokussierungssystem in einen Pumpfleck mit einem Radius von 200 μm fokussiert und in den Nd:YVO₄-Kristall injiziert. Das Kopplungssystem besteht aus zwei Plankonvexspiegeln mit einem Krümmungsradius R=10mm und einem 45-Grad-Polarisator. Der atomare Anteil der Nd³⁺-Dotierung im Nd:YVO₄-Kristall beträgt 0,1 % und seine Größe beträgt 4 mm × 4 mm × 5 mm. Das linke Ende ist mit 808-nm-, 1064-nm-Antireflexionsfilmen und einem 914-nm-Hochreflexionsfilm beschichtet, während das rechte Ende mit 914-nm-, 1064-nm- und 1342-nm-Antireflexionsfilmen beschichtet ist. Die Seite des Laserkristalls ist mit einer Schicht Indiumfolie umwickelt und auf einem Kühlkörper aus rotem Kupfer montiert. Die Temperaturregelung erfolgt durch einen Umlaufwasserkühler. Um eine ausreichende Wärmeableitung des Kristalls zu gewährleisten, sollte darauf geachtet werden, dass die vier Seiten des Kristalls vollständig in Kontakt mit dem Wasserstrom des Kühlers stehen. Als Ausgangsspiegel wird ein plankonkaver Spiegel M mit einem Krümmungsradius von 50 mm verwendet. Seine konkave Oberfläche ist mit einem 914 nm starken Reflexionsfilm und 457 nm, 1064 nm und 1342 nm starken Antireflexionsfilmen beschichtet, und seine Ebene ist mit 457 nm, 914 nm, 1064 nm und 1342 nm starken Antireflexionsfilmen beschichtet. Als Reflektor wird ein Planspiegel M₂ mit einem Krümmungsradius von 200 mm verwendet, dessen Oberfläche mit 457 nm und 914 nm hochreflektierenden Filmen beschichtet ist, sodass der linke Endspiegel M₁ des Nd:YVO₄-Kristalls, Spiegel M und Spiegel M₂ einen V--förmigen Resonanzhohlraum mit dem Winkel zwischen den beiden Armen bilden ≈10 Grad. Darunter ist ein akusto-optischer Q--Schalter in den langen Arm L₁, der aus den Spiegeln M₁ und M besteht, und ein LBO-Kristall zur Erzeugung der zweiten Harmonischen in den kurzen Arm, der aus den Spiegeln M und M₂ besteht, eingefügt und in einem Abstand von etwa 1 mm vom Reflektor M₂ platziert. Der LBO-Kristall hat eine Größe von 4 mm × 4 mm × 15 mm und beide Enden des Kristalls sind mit Antireflexionsfilmen von 457 nm, 914 nm und 1064 nm beschichtet. Die Schwingungswellenlänge dieses Hohlraumresonators beträgt 914 nm. Nach der Frequenzverdopplung durch den LBO-Kristall wird eine Wellenlänge von 457 nm erzeugt, die im kurzen Arm des Resonanzhohlraums oszilliert und aus dem plankonkaven Spiegel M austritt. M₃ ist ein 457 nm starker Fokussierspiegel, dessen Oberfläche mit einem 457 nm starken Antireflexionsfilm beschichtet ist. In der Nähe des Brennpunkts ist ein BBO-Kristall zur Erzeugung der vierten Harmonischen platziert. Beide Enden des Kristalls sind mit 457-nm- und 222-nm-Antireflexionsfilmen beschichtet. Nach der Frequenzverdopplung durch den BBO-KristallFern-UV 222Es kann ein ultravioletter Laser erzeugt werden, und die 457-nm- und 222-nm-Laser werden durch ein Strahlteilerprisma M₄ getrennt.
Abbildung 5.1 Experimenteller Aufbau eines 222 nm tiefen-Ultraviolett-Lasers 1-Optischen Kopplungssystems; 2-Nd:YVO₄-Kristallmodul in Kühlkörper eingewickelt; 3-akustooptisches Q-Switch-Gerät; 4-Ausgangsspiegel M; 5-LBO-Kristallgerät; 6-Reflektor M₂; 7–457 nm Fokussierungsspiegel M₃; 8-BBO-Kristall; 9-Strahl-Teilerprisma.
5.1.2 Messmethoden für Laserparameter
1. Laserwellenlänge
Bei der Messung der Laserausgangswellenlänge wird ein Ocean HR4000CG - UV - NIR-Spektrometer verwendet, das einen Wellenlängenbereich von 200–1100 nm mit einer Auflösung von 0,75 nm (Vollbreite bei halbem Maximum) abdeckt. Das physikalische Diagramm ist in Abbildung 5.2 dargestellt. Während der Messung wird der Laserstrahl reflektiert oder durch eine Dämpfungsfolie in die Spektrometersonde geleitet und der Wellenlängenwert desFern-UVC 222 nmDer Laserstrahl wird durch das Display beobachtet.
Abbildung 5.2 Physikalisches Diagramm des Ocean HR4000CG - UV - NIR-Spektrometers
2. Laserwiederholungsfrequenz
Wählen Sie einen Fotodetektor, dessen spektrale Reaktion mit der Ausgangswellenlänge des Lasers übereinstimmt. Wählen Sie entsprechend dem Ausgangsimpulsbreitenbereich des Lasers einen geeigneten Fotodetektor und ein Oszilloskop aus. Wir verwenden ein Oszilloskop des Modells Tektronix TDS3054C, das eine Bandbreite von 500 MHz und eine Abtastrate von 5 GS/s hat, wie in Abbildung 5.3(a) dargestellt. Der Fotodetektor ist vom Siliziumdetektor Modell THORLABS DET10A -, dessen spektraler Empfindlichkeitsbereich 200–1100 nm beträgt und die Anstiegszeit 1 ns beträgt, wie in Abbildung 5.3(b) dargestellt.
Abbildung 5.3 Physikalische Diagramme von Oszilloskop und Fotodetektor (a) Oszilloskop (b) Fotodetektor
Lassen Sie den Laserimpuls in den Fotodetektor eintreten und sorgen Sie dafür, dass der Fotodetektor im linearen Bereich arbeitet. Passen Sie die Empfindlichkeit und Scangeschwindigkeit des Oszilloskops so an, dass zwei stabile Laserimpulswellenformen auf dem Bildschirm des Oszilloskops erscheinen. Zeichnen Sie den Zeitabstand t zwischen zwei benachbarten Impulsen auf und wiederholen Sie die Messung n (n größer oder gleich 10) Mal. Berechnen Sie die Pulswiederholungsfrequenz f gemäß Formel (5.1): f=1∑i=1ntin (Hz) f=\\frac{1}{\\frac{\\sum_{i=1}^{n} t_i}{n}} \\ (Hz) f=n∑i=1nti1 (Hz) wobei: tit_iti ist das Zeitintervall zwischen zwei benachbarten Impulsen in der i--ten Messung, Einheit: s; n ist die Anzahl der Messungen.
3. Laserimpulsbreite
Die Messung der Impulsbreite kann sich auf die Messschritte der Wiederholfrequenz beziehen. Lassen Sie den Laserimpuls in den Fotodetektor eintreten, und der Fotodetektor arbeitet im linearen Bereich. Die Impulszeitwellenform wird auf dem Oszilloskopbildschirm angezeigt. Notieren Sie zu diesem Zeitpunkt die Impulsbreite τi\\tau_iτi und wiederholen Sie die Messung n (n größer oder gleich 10) Mal. Berechnen Sie die Pulsbreite τ\\tauτ gemäß Formel (5.2): τ=1n∑i=1nτi (ns) \\tau=\\frac{1}{n} \\sum_{i=1}^{n} \\tau_i \\ (ns) τ=n1∑i=1nτi (ns) wobei: τi\\tau_iτi die in der i--ten Messung gemessene Impulsbreite ist, Einheit: s; n ist die Anzahl der Messungen.
4. Laser-Spitzenleistung
Bei der Berechnung der Spitzenleistung müssen wir zunächst die durchschnittliche Leistung des Lasers messen. Für die Messung werden zwei Arten von Sonden verwendet, wie in Abbildung 5.4 dargestellt. Abbildung (a) ist ein OPHIR 30A - BB - 18 Laserleistungsmessgerät mit einem Messbereich von 10 mW ~ 30 W und einer Messgenauigkeit von 3 %. Abbildung (b) ist ein UV-Laserleistungsmessgerät OPHIR PD300R - mit einem Messbereich von 20 pW bis 300 mW und einer Messgenauigkeit von 10 %.
Abbildung 5.4 Laserleistungsmessgeräte (a) OPHIR 30A-BB-18 Laserleistungsmessgerät (b) OPHIR PD300R-UV Laserleistungsmessgerät
Richten Sie während der Messung die Sonde des Laserleistungsmessers auf den Ausgangsstrahl des Lasers aus, schalten Sie den Laserleistungsmesser ein, wählen Sie einen geeigneten Bereich aus und kalibrieren Sie seinen Nullpunkt. Messen und notieren Sie den Messwert P des Leistungsmessers einmal zu bestimmten Zeiten gemäß der Produktspezifikation und wiederholen Sie die Messung n (n größer oder gleich 10) Mal. Berechnen Sie die durchschnittliche Leistung Pˉ\\bar{P}Pˉ des Lasers gemäß Formel (5.3): Pˉ=1n∑i=1npi (W) \\bar{P}=\\frac{1}{n} \\sum_{i=1}^{n} p_i \\ (W) Pˉ=n1∑i=1npi (W) wobei: pip_ipi die durchschnittliche Leistung ist, die bei der i--ten Messung erhalten wurde, Einheit: W; n ist die Anzahl der Messungen.
Nachdem Sie die durchschnittliche Leistung des Lasers erhalten haben, berechnen Sie die Spitzenleistung PpkP_{pk}Ppk gemäß Formel (5.4): Ppk=Pˉf⋅τ (W) P_{pk}=\\frac{\\bar{P}}{f \\cdot \\tau} \\ (W) Ppk=f⋅τPˉ (W) wobei: Pˉ\\bar{P}Pˉ ist die durchschnittliche Leistung, Einheit: W; f ist die Pulswiederholungsfrequenz, Einheit: Hz; τ\\tauτ ist die Pulsbreite, Einheit: ns.
5. Strahlqualität
Der Strahlqualitätsfaktor wird durch M² dargestellt und seine Berechnungsformel lautet M2=π4λ⋅d0⋅θ M^2=\\frac{\\pi}{4\\lambda} \\cdot d_0 \\cdot \\theta M2=4λπ⋅d0⋅θ wobei: d0d_0d0 die Taillenbreite oder der Taillendurchmesser ist, Einheit: nm; θ\\thetaθ ist der Divergenzwinkel des Fernfeldstrahls, Einheit: mrad; λ\\lambdaλ ist die Laserwellenlänge, Einheit: μm.
Zur Messung wird ein THORLABS BP209 - VIS-Scanning-Spaltstrahl-Qualitätsanalysator verwendetFern-UVC 222Laserstrahlqualität mit einem Betriebswellenlängenbereich von 200 bis 1100 nm, der kontinuierliche und gepulste Strahlen mit einer Wiederholungsfrequenz von nicht weniger als 10 Hz messen kann. Die Scanrate kann auf 2 bis 20 Hz eingestellt werden, wie in Abbildung 5.5 dargestellt. Der Rasterspaltstrahlanalysator verfügt über eine rotierende Trommel mit zwei oder mehr Paaren orthogonaler Schlitze im Inneren. Die Trommel dreht sich um die optische Achse und verändert dabei die Schlitze in X- und Y-Richtung vor dem Detektor, sodass der Abtastschlitz durch den optischen Pfad verläuft. Auf diese Weise wird das gemessene Leistungssignal mit der Position der Trommel und des Schlitzes in Beziehung gesetzt, woraus der Strahldurchmesser d und das Intensitätsprofil berechnet werden.
Abbildung 5.5 Strahlqualitätsanalysator
Das Testsystem zur Strahlqualitätsanalyse ist in Abbildung 5.6 dargestellt. Die Steuerung der beweglichen Plattform hat eine Genauigkeit von 3 μm und steuert jedes Mal die Schrittlänge des Strahlqualitätsanalysators, um den Strahldurchmesser did_idi an der entsprechenden Position zu erhalten. Setzen Sie die Z-Werte an verschiedenen Positionen in der Laserstrahl-Übertragungsrichtung und ihre entsprechenden Punktdurchmesser in Formel (5.6) ein, um die Werte der Koeffizienten A, B und C zu berechnen, d2=A+B⋅Z+C⋅Z2 d^2=A + B \\cdot Z + C \\cdot Z^2 d2=A+B⋅Z+C⋅Z2
Abbildung 5.6 Strahlqualitätsanalyse-Testsystem
Aus den Werten der Koeffizienten A, B und C können der objekt-seitige Taillendurchmesser d0d_0d0, der Strahldivergenzwinkel θ\\thetaθ und der Strahlqualitätsfaktor M² berechnet werden. Die Berechnungsformeln sind d0=A−B24C d_0=\\sqrt{A - \\frac{B^2}{4C}} d0=A−4CB2 θ=C \\theta=\\sqrt{C} θ=C M2=πλA⋅C−B24 M^2=\\frac{\\pi}{\\lambda} \\sqrt{A \\cdot C - \\frac{B^2}{4}} M2=λπA⋅C−4B2
5.2 Experiment mit einem 222-nm-Festkörperlaser
5.2.1 457nm kontinuierliche Laserleistung
Die Ausgangsleistung und die Strahlqualität des 457-nm-Dauerlasers sind Schlüsselfaktoren für die Impulsausgangsleistung und die Erfassung vonFern-UV 222Laser durch Frequenzverdopplung außerhalb des Hohlraums, im Gegensatz zu Emerging222-nm-LEDTechnologien, die alternative Fern-UVC-Quellen bieten. Gemäß der theoretischen Forschung in den vorherigen Kapiteln optimiert dieser Aufbau die Bedingungen für EffizienzFern-UVC 222 nmGenerierung durch Solid-State-Methoden.
