แนวโน้มการใช้งานเลเซอร์ 222 นาโนเมตรในด้านการผลิตอุปกรณ์โฟโตนิก
ความหนาแน่นของพลังงานและการเลือกคริสตัลที่มีความยาวที่เหมาะสม
เมื่อเลือกความถี่ไม่เชิงเส้น-ผลึกสองเท่า นอกเหนือจากการพิจารณาปัจจัยที่มีอิทธิพลข้างต้น โดยทั่วไปแล้ว ควรปฏิบัติตามข้อกำหนดต่อไปนี้ด้วย:
1 ค่าการสะท้อนกลับระดับปานกลาง (เมื่อใช้การจับคู่เฟสของมุม ควรมีมุมการจับคู่เฟส)
② มุมเดิน-ที่เล็กที่สุดที่เป็นไปได้
3. แบนด์วิธการยอมรับอุณหภูมิ มุม และสเปกตรัมที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
④ ช่วงความยาวคลื่นโปร่งใสกว้างซึ่งไม่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการแปลงแบบไม่เชิงเส้น (โดยเฉพาะสำหรับแถบอัลตราไวโอเลต)
⑤ เกณฑ์ความเสียหายที่ค่อนข้างสูง
⑥ เติบโตง่ายและต้นทุนการเตรียมการต่ำ
⑦ คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่ดีเยี่ยมและความเสถียรทางกล
การศึกษานี้ส่วนใหญ่ใช้ความถี่ไม่เชิงเส้น-ผลึกสองเท่าเพื่อสร้างฮาร์มอนิกที่สอง ซึ่งรวมถึงการใช้งานที่แสง UVC ฟาร์ 222 นาโนเมตรที่ขายจะได้รับประโยชน์จากความก้าวหน้าดังกล่าว ในกระบวนการเพิ่มความถี่เป็นสองเท่าด้วยความถี่ไม่เชิงเส้น-ผลึกทวีคูณ เพื่อปรับปรุงความถี่-ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า เป็นข้อกำหนดเบื้องต้นที่แสงความถี่พื้นฐานและความถี่-แสงสองเท่าจะเป็นไปตามเงื่อนไขการจับคู่เฟส มีสองวิธีเพื่อให้บรรลุการจับคู่เฟส: การจับคู่เฟสวิกฤต (มุม) และที่ไม่ใช่-วิกฤต (อุณหภูมิ) โดยปกติแล้ว การจับคู่เฟสอุณหภูมิจะให้ความถี่ที่สูงกว่า-ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าและคุณภาพลำแสงที่ดีขึ้น แต่ต้องใช้กล่องควบคุมอุณหภูมิ ส่งผลให้มีโครงสร้างที่ซับซ้อน ปริมาณมาก และต้นทุนสูง ดังนั้นจึงใช้การจับคู่เฟสมุมกับผลึกไม่เชิงเส้นในการศึกษานี้ คุณลักษณะของผลึกสองเท่าความถี่ไม่เชิงเส้นที่ใช้ในการสร้างแสงสีน้ำเงิน 457 นาโนเมตรและแสงอัลตราไวโอเลตลึก 222 นาโนเมตร เช่น แสง 222 นาโนเมตร สรุปไว้ในตาราง 1.7
ตาราง 1.7 คุณลักษณะของความถี่ไม่เชิงเส้น-คริสตัลสองเท่าที่สามารถสร้างเลเซอร์ 457 นาโนเมตรและ 222 นาโนเมตร
| คริสตัล | พารามิเตอร์ประสิทธิภาพ | ไบโบ้ | แอลบีโอ | บีบีโอ | เคบีบีเอฟ | อาร์บีบีเอฟ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| สัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้น | 457 นาโนเมตร | 3.44 | 0.803 | 2.01 | 0.436 | 0.412 |
| 222 นาโนเมตร | - | - | 1.38 | 0.387 | 0.344 | |
| มุมการยอมรับ | 457 นาโนเมตร | 1.13 | 4.56 | 0.89 | 1.43 | 1.54 |
| 222 นาโนเมตร | - | - | 0.36 | 0.47 | 0.52 | |
| เดิน-ออกจากมุม /mrad | 457 นาโนเมตร | 44.99 | 12.48 | 61.76 | 43.36 | 40.04 |
| 222 นาโนเมตร | - | - | 75.68 | 66.05 | 58.72 | |
| มุมการจับคู่เฟส/(°) | 457 นาโนเมตร | 159.6(θ) 90.0(φ) | 90.0(θ) 21.7(φ) | 25.8(θ) | 22.0(θ) | 23.7(θ) |
| 222 นาโนเมตร | - | - | 61.4(θ) | 43.9(θ) | 48.1(θ) | |
| การดูดความชื้น | ยากต่อไฮโกรสโคป | ดูดความชื้นเล็กน้อย | ดูดความชื้นเล็กน้อย | ไม่-ดูดความชื้น | ไม่-ดูดความชื้น | |
| แบนด์วิธการส่งข้อมูล/นาโนเมตร | 286~2500 | 160~2600 | 185~2600 | 147~3500 | 165~3500 |
ลิเธียมเตตร้าบอเรต LiB₃O₅ (LBO) และบิสมัทบอเรต BiB₃O₅ (BiBO) เป็นผลึกความถี่ไม่เชิงเส้นเชิงพาณิชย์สองชนิด-ที่ทำให้เกิดความถี่สองเท่าในแถบอินฟราเรดใกล้-เพื่อสร้างแสงสีน้ำเงิน ซึ่งอาจสนับสนุนผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น แสงฟาร์ยูวีซี 222 นาโนเมตรอเมซอน ใน-การสร้างฮาร์มอนิก (SHG) ครั้งที่สองของเลเซอร์ 914 นาโนเมตร แม้ว่า BiBO จะมีค่าสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นขนาดใหญ่ที่ 3.44pm/V แต่มุมเดิน-ที่กว้างมากที่ 44.99mrad ส่งผลให้จุดไฟที่ได้รับมีคุณภาพไม่ดี ส่งผลให้ความถี่-ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ดังนั้นจึงไม่ได้ใช้คริสตัล BiBO ในการทดลองนี้
เทคโนโลยีเลเซอร์สเตตอัลตราไวโอเลตลึก 222 นาโนเมตร-
LBO ได้รับเลือกเป็น-คริสตัลเจเนอเรชั่นฮาร์มอนิกตัวที่สองในการศึกษานี้ เนื่องจากมีมุมเดิน-เล็กน้อยที่ 12.48mrad ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างแสง UVC 222 นาโนเมตร แม้ว่า LBO จะมีค่าสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นเล็กน้อยที่ 0.803pm/V แต่ค่าสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นที่ค่อนข้างเล็กสามารถชดเชยได้โดยการขยายความยาวของ LBO ในปัจจุบัน ผลึกไม่เชิงเส้นที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการเพิ่มความถี่อัลตราไวโอเลตเป็นสองเท่าส่วนใหญ่เป็นผลึก β−BaB₂O₄ (BBO) และ CsLiB₆O₁₀ (CLBO) ในบรรดาคริสตัล CLBO มีค่าสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นค่อนข้างสูง มีมุมเดิน-เล็กน้อย และแทบไม่มีการดูดกลืนแสงเลเซอร์ในแถบอัลตราไวโอเลต ซึ่งเอื้อต่อการสร้าง-แสงอัลตราไวโอเลตที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งรวมถึงรูปแบบต่างๆ เช่น แสงยูวีซีไกล 222 นาโนเมตรที่มีจำหน่าย อย่างไรก็ตาม คริสตัล CLBO ไม่สามารถจับคู่เฟสที่ 457 นาโนเมตรได้ (สำหรับ-การสร้างฮาร์มอนิกที่สอง) ผลึก RbBe₂BO₃F₂ (RBBF) และ KBe₂BO₃F₂ (KBBF) ยังสามารถสร้างเลเซอร์ 222 นาโนเมตรผ่านการเพิ่มความถี่เป็นสองเท่า แต่ค่าสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นที่มีประสิทธิผลนั้นมีน้อย และเทคโนโลยีการเจริญเติบโตยังคงต้องได้รับการปรับปรุง พวกเขาไม่ได้สร้างผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ซึ่งไม่เอื้อต่อการบรรลุผลเลเซอร์อัลตราไวโอเลตประสิทธิภาพสูง- ซึ่งแตกต่างจากตัวเลือกที่เข้าถึงได้ง่ายกว่า เช่น แสงยูวีซี 222 นาโนเมตรของอเมซอน เมื่อเปรียบเทียบกับคริสตัลอื่นๆ คริสตัล BBO เป็นคริสตัลไม่เชิงเส้นที่ยอดเยี่ยม โดยมีค่าสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นที่มีประสิทธิผลสูง มีเกณฑ์ความเสียหายสูง และช่วงความยาวคลื่นการส่งผ่านแสงที่กว้าง ประสิทธิภาพการมองเห็นมีความเสถียรมาก เป็นคริสตัลเชิงพาณิชย์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการสร้างเลเซอร์อัลตราไวโอเลตและอัลตราไวโอเลตลึกในปัจจุบัน เช่น แสง 222 นาโนเมตร และราคาก็อยู่ในระดับปานกลาง ดังนั้นในงานวิจัยนี้ BBO จึงได้รับเลือกให้เป็นคริสตัลเจเนอเรชันฮาร์โมนิกที่สี่- ทฤษฎีโดยละเอียดของทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้นและการออกแบบพารามิเตอร์ของผลึกสองเท่าความถี่ LBO และ BBO- จะมีการแนะนำโดยละเอียดในบทที่ 4
จากการวิเคราะห์ข้างต้นและการเลือกตัวกลางที่ได้รับเลเซอร์ที่แตกต่างกัน วิธีการปั๊ม LD โพรงเรโซแนนซ์ วิธีการเปลี่ยน Q- และความถี่ไม่เชิงเส้น-คุณลักษณะการเพิ่มทวีคูณของคริสตัล เส้นทางทางเทคนิคของงานนี้ถูกนำเสนอ: เทคโนโลยีการสลับ Nd:YVO₄ ปลาย LD- และเทคโนโลยีการเปลี่ยนสัญญาณ -optic Q- ใช้เพื่อรับรู้การทำงานของพัลซิ่งของเลเซอร์ 914 นาโนเมตร ช่องเลเซอร์เรโซแนนซ์รูปทรง AV- และความถี่ LBO- คริสตัลสองเท่าใช้สำหรับการสร้างฮาร์โมนิกที่สองในโพรงอากาศ-เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ 457 นาโนเมตร จากนั้น ใช้วิธีการโฟกัสคริสตัล BBO และเลนส์เพื่อเพิ่มความถี่พิเศษของแสงสีน้ำเงิน 457 นาโนเมตรเป็นสองเท่า เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์อัลตราไวโอเลต 222 นาโนเมตรในระดับลึก ซึ่งอาจสร้างแรงบันดาลใจให้เกิดการพัฒนาในการใช้งานแสงยูวีซี 222 นาโนเมตร
รูปที่ 1.15 แผนผังของโครงสร้างพื้นฐานของเลเซอร์โซลิด-สำหรับการสร้างเลเซอร์อัลตราไวโอเลตลึก 222 นาโนเมตร
(เนื้อหาแผนภาพ: แหล่งที่มาของปั๊ม LD → ระบบข้อต่อ → M₁ → Nd:YVO₄ → สวิตช์ Acousto-optic Q- → M₂ (LBO) → M → M₃ → BBO → M₄ → 222nm โดยมีการทำเครื่องหมายเส้นทางเลเซอร์ 914nm และ 457nm)
บทที่ 1 บทนำ
1.5 เนื้อหาหลักของหนังสือเล่มนี้
หนังสือเล่มนี้แนะนำเทคโนโลยีเลเซอร์โซลิด-สำหรับการสร้างเลเซอร์อัลตราไวโอเลตลึก 222 นาโนเมตรผ่านการสร้างฮาร์โมนิกที่สี่-ของเส้นสเปกตรัม 914 นาโนเมตรของระบบระดับ Nd:YVO₄ เสมือน-สาม- ที่มีประสิทธิภาพสูงและโครงสร้างกะทัดรัด ซึ่งเกี่ยวข้องกับตลาดเกิดใหม่ เช่น แสงยูวีซีฟาร์ 222 นาโนเมตรที่จำหน่าย หนังสือเล่มนี้ประกอบด้วย 6 บท โดยมีโครงสร้างและเนื้อหาหลักดังนี้
บทที่ 1 บทนำ
โดยจะแนะนำภูมิหลังการวิจัยและความสำคัญของเลเซอร์แถบอัลตราไวโอเลตอัลตราไวโอเลตระดับลึก 222 นาโนเมตร ประวัติการพัฒนาของเลเซอร์อัลตราไวโอเลตในสถานะ-โซลิด- ทั้งหมด และมุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีการใช้งานหลักและภาพรวมการพัฒนาของเลเซอร์อัลตราไวโอเลตระดับลึก-โซลิด-ทั้งหมด จากนี้ มีการเสนอเส้นทางทางเทคนิคที่ใช้ในหนังสือเล่มนี้ และชี้ให้เห็นถึงปัญหาหลักของโครงการนี้และทิศทางการวิจัยของหนังสือเล่มนี้
บทที่ 2 ทฤษฎีและการวิเคราะห์ผลกระทบทางความร้อนของเลเซอร์ Nd:YVO₄ 914nm
เริ่มต้นจากสมการอัตราเลเซอร์เสมือน-สาม-ระดับภายใต้สภาวะคงตัว ผลการดูดซึมกลับของคริสตัลเลเซอร์ Nd:YVO₄ อิทธิพลของอัตราส่วนขนาดของจุดปั๊มต่อรัศมีเอวลำแสงสั่น และความยาวของคริสตัลต่อประสิทธิภาพเอาต์พุตเลเซอร์ 914 นาโนเมตร เริ่มต้นจากทฤษฎีการนำความร้อน ได้มีการสร้างแบบจำลองของเลเซอร์ Nd:YVO₄ ที่ปลาย LD- ที่ปั๊ม 914nm Nd:YVO₄ เมื่อการกระจายแสงของปั๊มเป็นแบบเกาส์เซียน จะได้สารละลายโดยวิธีการวิเคราะห์ สัดส่วนของปัจจัยทั้งสาม ได้แก่ ความแตกต่างของดัชนีการหักเหของอุณหภูมิ การหักเหของแสงของความเครียด และการขยายตัวทางความร้อนของพื้นผิวส่วนท้ายของคริสตัล ในการสร้างผลกระทบของเลนส์ความร้อนภายในตัวกลางเกนนั้นจะถูกเปรียบเทียบ และทางยาวโฟกัสความร้อนของมันจะวัดโดยการทดลองโดยวิธี-โพรงเรโซแนนซ์ขนานในระนาบ
บทที่ 3 Acousto-Optic Q-เทคโนโลยีการสลับและ-การออกแบบช่องเรโซแนนซ์รูปทรง V
แบบจำลองทางทฤษฎีของสมการอัตรา-ออปติก Q-สวิตช์ Nd:YVO₄ 914 นาโนเมตรถูกสร้างขึ้น และปัจจัยที่ส่งผลต่อความกว้างพัลส์เลเซอร์เอาท์พุตได้รับการวิเคราะห์ ด้วยการคำนวณและการจำลองเชิงตัวเลข ความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนอนุภาคในระดับพลังงานด้านบนและด้านล่าง ความกว้างของพัลส์ และพลังงานพัลส์เดี่ยว-ของอะคูสติก-ออปติก Q- สวิตช์เลเซอร์ Nd:YVO₄ 914nm และกำลังของปั๊มและความถี่การทำซ้ำได้รับการศึกษา มีการเสนอเทคโนโลยีการควบคุมตนเอง-ที่สอดคล้องกันโดยใช้ผลกระทบด้านความร้อนต่อคุณภาพลำแสงเพื่อออกแบบพารามิเตอร์ช่องเรโซแนนซ์ โดยใช้ทฤษฎีเมทริกซ์การส่งผ่าน ABCD มาตรฐานและสภาวะความเสถียรของช่องเรโซแนนซ์ ความแปรผันของขนาดของจุดที่สั่นในตำแหน่งต่างๆ ในช่องพับกระจกสามช่องของเลเซอร์ที่มีความยาวของช่องแขนย่อย-ได้รับการวิเคราะห์และอภิปรายโดยละเอียด
บทที่ 4 ความถี่ไม่เชิงเส้น-ทฤษฎีสองเท่าและความถี่-การออกแบบคริสตัลสองเท่า
เริ่มต้นจากสมการของ Maxwell กลไกการสร้างเอฟเฟกต์แสงแบบไม่เชิงเส้น รวมถึงเงื่อนไขการจับคู่เฟสสำหรับการเพิ่มความถี่คริสตัลประเภท I และประเภท II เป็นสองเท่า ได้รับการวิเคราะห์อย่างเป็นระบบผ่านแบบจำลอง Lorentz สมการดัชนีการหักเหของแสง และทฤษฎีปฏิสัมพันธ์ระหว่างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและสสารของวัสดุ เมื่อรวมกับสมการการกระจายตัวและการแสดงออกของสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นที่มีประสิทธิผล มุมการจับคู่เฟสและสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นที่มีประสิทธิผลของความถี่ LBO/BBO- ผลึกสองเท่าที่ใช้ในการสร้างเลเซอร์ 457 นาโนเมตรและ 222 นาโนเมตรจะถูกคำนวณเป็นตัวเลข
เทคโนโลยีเลเซอร์สเตตอัลตราไวโอเลตลึก 222 นาโนเมตร-
บทที่ 5 การทดลองเลเซอร์สถานะของแข็งอัลตราไวโอเลต 222 นาโนเมตรลึก-
จากการวิจัยทางทฤษฎีและการออกแบบพารามิเตอร์ในบทที่แล้ว ได้มีการทดลองเพิ่มประสิทธิภาพเลเซอร์ 222 นาโนเมตร ขั้นแรก เมื่อพิจารณาการจับคู่โหมด การทดลองเพิ่มประสิทธิภาพของเลเซอร์ต่อเนื่อง 457 นาโนเมตรจะดำเนินการเพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ต่อเนื่อง 457 นาโนเมตรที่มีกำลังค่อนข้างสูงและคุณภาพลำแสงที่ดี จากนั้น โดยการเลือกเลนส์โฟกัสที่มีความยาวโฟกัสที่เหมาะสม ความยาวของคริสตัล BBO และตำแหน่งการจัดวาง เลเซอร์ 457 นาโนเมตรที่โฟกัสเกินช่องจะดำเนินการสองเท่าเพื่อให้ได้เลเซอร์ต่อเนื่อง 222 นาโนเมตร บนพื้นฐานของเลเซอร์ต่อเนื่อง 457 นาโนเมตร เมื่อรวมกับเทคโนโลยีสวิตช์-ออปติก Q- ความถี่มอดูเลชั่นจะเปลี่ยนไปเพื่อค้นหาเอาต์พุตเลเซอร์แบบพัลซ์ 457 นาโนเมตรที่มีกำลังสูงสุดสูงสุด จากนั้น จะถูกโฟกัสด้วยเลนส์พิเศษ และสร้างเลเซอร์พัลซ์ขนาด 222 นาโนเมตรผ่านการเพิ่มความถี่เป็นสองเท่าโดยคริสตัล BBO นอกจากนี้ ยังมีการศึกษาทดลองเกี่ยวกับการยับยั้งแบคทีเรียด้วยเลเซอร์พัลซ์ 222 นาโนเมตร ซึ่งสอดคล้องกับการใช้งานจริงของแสงยูวีซีฟาร์ 222 นาโนเมตรสำหรับขายและแสง 222 นาโนเมตร
