5.1 แผนการทดลองของเลเซอร์โซลิด- 222 นาโนเมตร
5.1.1 การทดลองตั้งค่าระบบเลเซอร์
การตั้งค่าการทดลองของยูวีซี 222 นาโนเมตรเลเซอร์อัลตราไวโอเลตเชิงลึก-แสดงในรูปที่ 5.1 ซึ่งใช้โครงสร้างช่องเรโซแนนซ์รูปตัว V- ที่มีการสร้างฮาร์มอนิกที่สองภายในช่อง และเจเนอเรชั่นฮาร์มอนิกที่สี่ด้านนอกช่อง แหล่งที่มาของปั๊มคืออาร์เรย์ไดโอดเลเซอร์แบบไฟเบอร์-ที่มีกำลังเอาต์พุตสูงสุด 110W ด้วยการปรับอุณหภูมิ ความยาวคลื่นส่วนกลางของไฟปั๊มจะสอดคล้องกับความยาวคลื่นการดูดกลืนแสงส่วนกลางของ Nd:YVO₄ และจะถูกโฟกัสไปที่จุดปั๊มที่มีรัศมี 200μm ผ่านระบบคอลลิเมตติ้งและการโฟกัส และฉีดเข้าไปในคริสตัล Nd:YVO₄ ระบบเชื่อมต่อประกอบด้วยกระจกนูนพลาโน-สองตัวที่มีรัศมีความโค้ง R=10 มม. และโพลาไรเซอร์ 45 องศา เศษส่วนอะตอมของสารโด๊ป Nd³⁺ ในคริสตัล Nd:YVO₄ คือ 0.1% และขนาดของมันคือ 4 มม.×4 มม.×5 มม. ปลายด้านซ้ายเคลือบด้วยฟิล์มป้องกันแสงสะท้อน- 808nm, 1064nm และฟิล์มป้องกันแสงสะท้อนสูง- 914nm ในขณะที่ด้านขวาเคลือบด้วยฟิล์มป้องกันแสงสะท้อน 914nm, 1064nm และ 1342nm- ด้านข้างของคริสตัลเลเซอร์ถูกห่อด้วยชั้นฟอยล์อินเดียมและติดตั้งบนแผงระบายความร้อนทองแดงสีแดง และการควบคุมอุณหภูมิจะดำเนินการโดยเครื่องทำน้ำเย็นหมุนเวียน เพื่อให้แน่ใจว่าคริสตัลจะกระจายความร้อนได้อย่างเพียงพอ ควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าทั้งสี่ด้านของคริสตัลสัมผัสกับการไหลของน้ำของเครื่องทำความเย็นจนสุด กระจกเว้าพลาโน- M ที่มีรัศมีความโค้ง 50 มม. ถูกใช้เป็นกระจกเอาท์พุต พื้นผิวเว้าเคลือบด้วยฟิล์มสะท้อนแสงสูง- 914 นาโนเมตร และฟิล์มป้องกันแสงสะท้อน 457 นาโนเมตร, 1064 นาโนเมตร, 1342 นาโนเมตร- และฟิล์มเคลือบป้องกันแสงสะท้อน 457 นาโนเมตร 914 นาโนเมตร 1064 นาโนเมตร และ 1342 นาโนเมตร- กระจกเงาระนาบ M₂ ที่มีรัศมีความโค้ง 200 มม. ถูกใช้เป็นตัวสะท้อนแสง และพื้นผิวของกระจกถูกเคลือบด้วยฟิล์มสะท้อนแสงสูง-ขนาด 457 นาโนเมตรและ 914 นาโนเมตร เพื่อให้กระจก M₁ ด้านซ้ายของคริสตัล Nd:YVO₄, กระจก M และกระจก M₂ ก่อตัวเป็นช่องเรโซแนนซ์รูปตัว V- โดยมีมุมระหว่างแขนทั้งสอง γ กลับไปยัง 10 องศา ในหมู่พวกเขา สวิตช์อะคูสติก-ออปติก Q{- ถูกแทรกเข้าไปในแขนยาว L₁ ที่สร้างโดยกระจก M₁ และ M และคริสตัล LBO สำหรับการสร้างฮาร์มอนิกที่สองจะถูกแทรกเข้าไปในแขนสั้นที่สร้างโดยกระจก M และ M₂ และวางไว้ที่ระยะห่างประมาณ 1 มม. จากตัวสะท้อนแสง M₂ คริสตัล LBO มีขนาด 4 มม.×4 มม.×15 มม. และปลายทั้งสองข้างของคริสตัลเคลือบด้วยฟิล์มป้องกันแสงสะท้อน 457 นาโนเมตร 914 นาโนเมตร และ 1064 นาโนเมตร- ความยาวคลื่นการสั่นของช่องเรโซแนนซ์นี้คือ 914 นาโนเมตร หลังจากที่คริสตัล LBO เพิ่มความถี่เป็นสองเท่า ความยาวคลื่น 457 นาโนเมตรจะถูกสร้างขึ้น โดยแกว่งไปที่แขนสั้นของช่องเรโซแนนซ์ และออกจากกระจกเว้าพลาโน- M M₃ เป็นกระจกโฟกัส 457 นาโนเมตร ซึ่งพื้นผิวถูกเคลือบด้วยฟิล์มป้องกัน-การสะท้อนแสง 457 นาโนเมตร วางคริสตัล BBO สำหรับเจนเนอเรชั่นที่ 4 ไว้ใกล้จุดโฟกัส ปลายทั้งสองของคริสตัลเคลือบด้วยฟิล์มป้องกันแสงสะท้อน 457 นาโนเมตรและ 222 นาโนเมตร- หลังจากที่คริสตัล BBO เพิ่มความถี่เป็นสองเท่าไกลยูวี 222สามารถสร้างเลเซอร์อัลตราไวโอเลตได้ และเลเซอร์ 457 นาโนเมตรและ 222 นาโนเมตรจะถูกแยกออกจากกันด้วยปริซึมตัวแยกลำแสง M₄
รูปที่ 5.1 การตั้งค่าการทดลองของระบบเชื่อมต่อแบบออปติคัล-เลเซอร์อัลตราไวโอเลต 1- ลึก 222 นาโนเมตร 2-Nd:YVO₄ โมดูลคริสตัลห่อด้วยแผ่นระบายความร้อน อุปกรณ์สวิตช์ Q-Acousto-Optic 3 ตัว; กระจกเงา 4 เอาท์พุต M; อุปกรณ์คริสตัล 5-LBO; 6-รีเฟลกเตอร์ M₂; กระจกโฟกัส 7-457nm M₃; 8-BBO คริสตัล; ปริซึมแยก 9 ลำแสง
5.1.2 วิธีการวัดพารามิเตอร์เลเซอร์
1. ความยาวคลื่นเลเซอร์
ในการวัดความยาวคลื่นเอาต์พุตเลเซอร์ จะใช้สเปกโตรมิเตอร์ Ocean HR4000CG - UV - NIR ซึ่งครอบคลุมช่วงความยาวคลื่น 200~1100 นาโนเมตรด้วยความละเอียด 0.75 นาโนเมตร (ความกว้างเต็มที่สูงสุดครึ่งหนึ่ง) และแผนภาพทางกายภาพจะแสดงในรูปที่ 5.2 ในระหว่างการวัด ลำแสงเลเซอร์จะสะท้อนหรือส่งผ่านแผ่นลดทอนลงในหัววัดสเปกโตรมิเตอร์ และค่าความยาวคลื่นของยูวีซี 222 นาโนเมตรลำแสงเลเซอร์จะสังเกตได้ผ่านจอแสดงผล
รูปที่ 5.2 แผนภาพทางกายภาพของมหาสมุทร HR4000CG - UV - NIR Spectrometer
2. ความถี่การทำซ้ำด้วยเลเซอร์
เลือกเครื่องตรวจจับแสงที่มีการตอบสนองทางสเปกตรัมตรงกับความยาวคลื่นเอาท์พุตของเลเซอร์ เลือกโฟโตตรวจจับและออสซิลโลสโคปที่เหมาะสมตามช่วงความกว้างพัลส์เอาท์พุตของเลเซอร์ เราใช้ออสซิลโลสโคปรุ่น Tektronix TDS3054C ซึ่งมีแบนด์วิธ 500MHz และอัตราการสุ่มตัวอย่าง 5GS/s ดังแสดงในรูปที่ 5.3(a) เครื่องตรวจจับแสงเป็นของเครื่องตรวจจับซิลิคอนรุ่น THORLABS DET10A - ซึ่งมีช่วงการตอบสนองทางสเปกตรัมอยู่ที่ 200~1100 นาโนเมตร และเวลาที่เพิ่มขึ้นคือ 1 ns ดังแสดงในรูปที่ 5.3(b)
รูปที่ 5.3 แผนภาพทางกายภาพของออสซิลโลสโคปและเครื่องตรวจจับแสง (ก) ออสซิลโลสโคป (ข) เครื่องตรวจจับแสง
ปล่อยให้พัลส์เลเซอร์เข้าสู่เครื่องตรวจจับแสง และทำให้เครื่องตรวจจับแสงทำงานในช่วงเชิงเส้น ปรับความไวและความเร็วในการสแกนของออสซิลโลสโคปเพื่อให้รูปคลื่นเลเซอร์พัลส์ที่เสถียรสองรูปปรากฏบนหน้าจอของออสซิลโลสโคป บันทึกช่วงเวลา t ระหว่างพัลส์สองพัลส์ที่อยู่ติดกัน และทำซ้ำการวัด n (n มากกว่าหรือเท่ากับ 10) ครั้ง คำนวณความถี่การเกิดซ้ำของพัลส์ f ตามสูตร (5.1): f=1∑i=1ntin (Hz) f=\\frac{1}{\\frac{\\sum_{i=1}^{n} t_i}{n}} \\ (Hz) f=n∑i=1nti1 (Hz) โดยที่ tit_iti คือ ช่วงเวลาระหว่างพัลส์สองพัลส์ที่อยู่ติดกันใน-การวัดครั้งที่ i หน่วย: s; n คือจำนวนการวัด
3. ความกว้างของพัลส์เลเซอร์
การวัดความกว้างพัลส์สามารถอ้างอิงถึงขั้นตอนการวัดความถี่การทำซ้ำ ปล่อยให้เลเซอร์พัลส์เข้าสู่ตัวตรวจจับแสง และตัวตรวจจับแสงจะทำงานในช่วงเชิงเส้น รูปคลื่นเวลาพัลส์จะแสดงบนหน้าจอออสซิลโลสโคป บันทึกความกว้างพัลส์ τi\\tau_iτi ในเวลานี้ และทำซ้ำการวัด n (n มากกว่าหรือเท่ากับ 10) ครั้ง คำนวณความกว้างพัลส์ τ\\tauτ ตามสูตร (5.2): τ=1n∑i=1nτi (ns) \\tau=\\frac{1}{n} \\sum_{i=1}^{n} \\tau_i \\ (ns) τ=n1∑i=1nτi (ns) โดยที่: τi\\tau_iτi คือความกว้างของพัลส์ที่วัดได้ในการวัดครั้งที่ i- หน่วย: s; n คือจำนวนการวัด
4. พลังเลเซอร์สูงสุด
เมื่อคำนวณกำลังไฟฟ้าสูงสุด เราต้องวัดกำลังเฉลี่ยของเลเซอร์ก่อน มีโพรบสองประเภทที่ใช้ในการวัด ดังแสดงในรูปที่ 5.4 รูปที่ (a) คือพาวเวอร์มิเตอร์เลเซอร์ OPHIR 30A - BB - 18 ที่มีช่วงการวัด 10mW~30W และความแม่นยำในการวัด 3% รูปที่ (b) คือเครื่องวัดกำลังแสงเลเซอร์ UV OPHIR PD300R - ที่มีช่วงการวัด 20pW~300mW และความแม่นยำในการวัด 10%
รูปที่ 5.4 มิเตอร์กำลังเลเซอร์ (a) OPHIR 30A-BB-18 มิเตอร์กำลังเลเซอร์ (b) มิเตอร์กำลังเลเซอร์ OPHIR PD300R-UV
ในระหว่างการวัด ให้วางแนวโพรบของมิเตอร์กำลังเลเซอร์ให้ตรงกับลำแสงเอาต์พุตของเลเซอร์ เปิดการทำงานของมิเตอร์วัดกำลังเลเซอร์ เลือกช่วงที่เหมาะสม และปรับเทียบจุดศูนย์ วัดและบันทึกการอ่านค่า P ของมิเตอร์ไฟฟ้าหนึ่งครั้งทุกๆ ช่วงเวลาตามข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์ และทำซ้ำการวัด n (n มากกว่าหรือเท่ากับ 10) ครั้ง คำนวณกำลังเฉลี่ย Pˉ\\bar{P}Pˉ ของเลเซอร์ตามสูตร (5.3): Pˉ=1n∑i=1npi (W) \\bar{P}=\\frac{1}{n} \\sum_{i=1}^{n} p_i \\ (W) Pˉ=n1∑i=1npi (W) โดยที่: pip_ipi คือกำลังเฉลี่ยที่ได้รับในการวัดครั้งที่ - หน่วย: W; n คือจำนวนการวัด
หลังจากได้รับกำลังเฉลี่ยของเลเซอร์แล้ว ให้คำนวณกำลังไฟฟ้าสูงสุด PpkP_{pk}Ppk ตามสูตร (5.4): Ppk=Pˉf⋅τ (W) P_{pk}=\\frac{\\bar{P}}{f \\cdot \\tau} \\ (W) Ppk=f⋅τPˉ (W) โดยที่: Pˉ\\bar{P}Pˉ คือกำลังเฉลี่ย หน่วย: W; f คือความถี่การเกิดซ้ำของพัลส์ หน่วย: Hz; τ\\tauτ คือความกว้างพัลส์ หน่วย: ns
5. คุณภาพของลำแสง
ปัจจัยด้านคุณภาพลำแสงแสดงด้วย M² และสูตรการคำนวณคือ M2=π4λ⋅d0⋅θ M^2=\\frac{\\pi}{4\\lambda} \\cdot d_0 \\cdot \\theta M2=4π⋅d0⋅θ โดยที่: d0d_0d0 คือความกว้างของเอวหรือเส้นผ่านศูนย์กลางเอว หน่วย: nm; θ\\thetaθ คือมุมที่แตกต่างของลำแสงสนามไกล- หน่วย: mrad; แลมบ์ดาเล คือความยาวคลื่นเลเซอร์ หน่วย: μm
เครื่องวิเคราะห์คุณภาพลำแสงสแกนของ THORLABS BP209 - VIS ใช้ในการวัดยูวีซี 222คุณภาพของลำแสงเลเซอร์ที่มีช่วงความยาวคลื่นในการทำงาน 200~1100 นาโนเมตร ซึ่งสามารถวัดลำแสงต่อเนื่องและลำแสงพัลซิ่งด้วยความถี่การทำซ้ำไม่น้อยกว่า 10Hz อัตราการสแกนสามารถตั้งค่าเป็น 2~20Hz ดังแสดงในรูปที่ 5.5 เครื่องวิเคราะห์ลำแสงสลิตสแกนมีดรัมหมุนซึ่งมีรอยสลิตมุมฉากสองคู่ขึ้นไปอยู่ข้างใน ดรัมหมุนรอบแกนลำแสง โดยเปลี่ยนร่องในทิศทาง X และ Y ด้านหน้าเครื่องตรวจจับ เพื่อให้ร่องการสแกนผ่านเส้นทางแสง ด้วยวิธีนี้ สัญญาณกำลังที่วัดได้จะสัมพันธ์กับตำแหน่งของดรัมและร่อง ซึ่งใช้คำนวณเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสง d และโปรไฟล์ความเข้ม
รูปที่ 5.5 เครื่องวิเคราะห์คุณภาพลำแสง
ระบบทดสอบการวิเคราะห์คุณภาพลำแสงแสดงไว้ในรูปที่ 5.6 ตัวควบคุมแพลตฟอร์มแบบเคลื่อนที่มีความแม่นยำ 3μm ซึ่งควบคุมความยาวก้าวของเครื่องวิเคราะห์คุณภาพลำแสงในแต่ละครั้งเพื่อให้ได้เส้นผ่านศูนย์กลางลำแสง Did_idi ที่ตำแหน่งที่สอดคล้องกัน แทนค่า Z ที่ตำแหน่งต่างๆ ในทิศทางการส่งผ่านลำแสงเลเซอร์และเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงที่สอดคล้องกันลงในสูตร (5.6) เพื่อคำนวณค่าสัมประสิทธิ์ A, B และ C นั่นคือ d2=A+B⋅Z+C⋅Z2 d^2=A + B \\cdot Z + C \\cdot Z^2 d2=A+B⋅Z+C⋅Z2
รูปที่ 5.6 ระบบทดสอบวิเคราะห์คุณภาพลำแสง
จากค่าสัมประสิทธิ์ A, B และ C สามารถคำนวณ-เส้นผ่านศูนย์กลางเอวด้านข้างของวัตถุ d0d_0d0 มุมการเบี่ยงเบนของลำแสง θ\\thetaθ และปัจจัยคุณภาพลำแสง M² ได้ สูตรการคำนวณคือ 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=เลอπA⋅C−4B2
5.2 การทดลองกับเลเซอร์สถานะ-โซลิด 222 นาโนเมตร
เอาต์พุตเลเซอร์ต่อเนื่อง 5.2.1 457nm
กำลังเอาต์พุตและคุณภาพลำแสงของเลเซอร์ต่อเนื่อง 457 นาโนเมตรเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพเอาต์พุตพัลส์และการได้มาของไกลยูวี 222เลเซอร์โดยความถี่พิเศษเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าไม่เหมือนที่เกิดขึ้นใหม่แอลอีดี 222 นาโนเมตรเทคโนโลยีที่นำเสนอแหล่งทางเลือกไกล-UVC ตามการวิจัยทางทฤษฎีในบทที่แล้ว การตั้งค่านี้จะปรับเงื่อนไขให้เหมาะสมเพื่อให้มีประสิทธิภาพยูวีซี 222 นาโนเมตรการสร้างผ่านวิธีโซลิดสเตต-
