Triển vọng ứng dụng laser 222nm trong lĩnh vực chế tạo thiết bị quang tử 3

Triển vọng ứng dụng laser 222nm trong lĩnh vực chế tạo thiết bị quang tử 3
Công nghệ chuyển mạch điện-Quang Q-

Cấu trúc của laser chuyển mạch quang-Q{1}}điện tử được thể hiện trong Hình 1.9. Chuyển mạch quang điện-Q-sử dụng bộ điều biến quang điện-(công tắc điện-quang Q-) để kiểm soát tổn hao khoang. Khi điện áp được cấp vào bộ điều biến quang điện-, hiệu ứng quang điện{10}}(hiệu ứng Pockels) sẽ điều chỉnh trạng thái phân cực của ánh sáng. Ngoài ra, việc đặt bộ phân cực hoặc bộ tách chùm tia phân cực trong khoang cộng hưởng cho phép kiểm soát tổn thất dao động laser. Do đó, chuyển mạch Q{14}}quang điện đạt được chuyển mạch Q-được kích hoạt bởi tín hiệu điện, từ đó tạo ra các xung laze. Đối với các ứng dụng yêu cầu đầu ra tia cực tím-độ sâu chính xác, chẳng hạn nhưCần bán đèn UVC xa 222 nm, công nghệ này đảm bảo kiểm soát xung ổn định.

Hình 1.9Cấu trúc của laser chuyển mạch quang-Q-điện (gương, tinh thể laser, bộ phân cực, công tắc quang-Q-điện, gương đầu ra).

Thiết bị điều chỉnh trạng thái phân cực của ánh sáng bằng hiệu ứng Pockels được gọi là tế bào Pockels. Cấu trúc của một ô Pockels được thể hiện trong Hình 1.10. Một tế bào Pockels trong đó hướng điện trường song song với hướng dao động của tia laser được gọi là thiết bị dọc; một trong đó điện trường vuông góc với hướng dao động của laser được gọi là thiết bị ngang. Trong thiết bị theo chiều dọc, khoảng cách giữa các điện cực không phụ thuộc vào kích thước khẩu độ rõ ràng và điện áp yêu cầu cũng không phụ thuộc vào khẩu độ, khiến thiết bị này phù hợp để chế tạo các tế bào Pockels có khẩu độ lớn-. Trong thiết bị nằm ngang, khoảng cách giữa các điện cực phụ thuộc vào kích thước khẩu độ, do đó, nó không phù hợp với các tế bào Pockels có khẩu độ- lớn nhưng có thể giảm điện áp ở một mức độ nào đó trong các ứng dụng-khẩu độ nhỏ.

Hình 1.10Cấu trúc tế bào Pockels(a) Thiết bị dọc (vật liệu quang-điện, tín hiệu điện) (b) Thiết bị ngang (vật liệu-điện quang, tín hiệu điện)

Công nghệ Laser trạng thái rắn cực tím sâu 222 nm-

Điện áp đặt vào tế bào Pockels tạo ra độ lệch pha π giữa ánh sáng đầu ra và ánh sáng đầu vào được gọi là điện áp nửa sóng (điện áp λ/2), thường nằm trong khoảng từ hàng trăm đến hàng nghìn vôn. Điện áp tạo ra độ lệch pha π/2 được gọi là điện áp sóng một phần tư{4}}(điện áp λ/4). Việc áp dụng các điện áp này vào tế bào Pockels mang lại hiệu ứng tương đương với các tấm sóng tương ứng. Trong công tắc điện-quang Q-, việc chèn bộ tách chùm phân cực và đặt một điện áp sóng-làm cho ánh sáng đi qua tế bào Pockels hai lần trong một chuyến đi khứ hồi, xoay hướng phân cực 90 độ . Sau đó, bộ tách chùm tia phân cực sẽ chặn sự truyền ánh sáng, do đó làm thay đổi sự mất mát khoang cộng hưởng. Nguyên tắc này rất quan trọng trong việc tạo ra các xung công suất-đỉnh{15}}cao choÁnh sáng UVC xa 222 nm Amazonhệ thống khử trùng tương thích.

Nhiều tinh thể được sử dụng để chế tạo công tắc điện-quang Q-:

Ví dụ,LiNbO₃tinh thể có những thay đổi nhỏ về hệ số áp điện và phạm vi thích ứng nhiệt độ rộng (-50 đến 60 độ), khiến chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng quân sự.

KD₂PO₄ (KD*P)VàKDPlà những tinh thể phổ biến về mặt thương mại. Các thiết bị theo chiều dọc thường được sử dụng để loại bỏ hiệu ứng-bỏ đi. Hệ số áp điện của KDP nhạy cảm với nhiệt độ-, dễ bị khử cực do lưỡng chiết do nhiệt gây ra, hệ số này có thể được bù bằng cách sử dụng một máy quay phân cực và hai tinh thể quang điện-.

LGSvà các tinh thể phi tuyến mang lại những lợi thế như khả năng chống lại hiện tượng lệch pha và dải truyền rộng, cho thấy tiềm năng lớn cho việc chế tạo bộ chuyển mạch quang điện-Q-trongánh sáng 222nmnguồn.

Liti niobate được phân cực định kỳ (PPLN)tinh thể có thể hoạt động như bộ điều biến Bragg tương đương. Là thiết bị chuyển mạch Q-, chúng có điện áp thấp (<200 V) and repetition rates up to 10 kHz, but their damage threshold needs improvement.

Hiện tại, các tinh thể quang điện{0}}truyền thống bị giới hạn ở tốc độ lặp lại thường dưới 10 kHz do các yếu tố như độ dẫn điện và hệ số quang điện-. Các tinh thể mới nổi như PPLN chưa trưởng thành và không thể duy trì hoạt động liên tục ở mức năng lượng cao. Tuy nhiên,RTP, BBO, VàLGScó thể đạt được tốc độ lặp lại cao (ở mức 100 kHz): RTP có hệ số quang điện-lớn và điện áp một phần tư- sóng chỉ 1 kV; BBO có hệ số quang điện-nhỏ và điện áp sóng một phần tư-lên đến 3 kV; LGS thể hiện hoạt động quang học đáng kể, làm phức tạp việc chế tạo.

Bảng 1.6So sánh hiệu suất của một số tinh thể phổ biến cho các thiết bị chuyển mạch điện-quang Q{1}} [99−100]

Công nghệ chuyển mạch âm thanh-Optic Q{1}}

Cơ chế chuyển đổi quang-Q{1}}âm thanh bao gồm sóng siêu âm truyền qua môi trường quang âm thanh-để làm chệch hướng chùm tia laze, từ đó kiểm soát sự mất khoang cộng hưởng. Cấu trúc của laser chuyển mạch quang-Q-âm thanh được thể hiện trong Hình 1.11. So với chuyển mạch quang Q-điện, nó chỉ yêu cầu bộ điều biến quang âm thanh-(công tắc Q{11}}quang âm thanh) để đạt được khả năng điều chế xung, tạo ra một cấu trúc nhỏ gọn hơn, lý tưởng cho các ứng dụng tích hợpĐèn UVC 222nmhệ thống.

Hình 1.11Cấu trúc của laser chuyển đổi quang học-Q-âm thanh (gương, tinh thể laser, công tắc quang học-Q-âm thanh, gương đầu ra).

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ điều biến quang{0}}âm thanh điển hình được minh họa trong Hình 1.12:

Tinh thể thường làthạch anh nung chảyhoặckính telurit, với lớp phủ chống phản xạ trên các mặt quang học.

Bộ chuyển đổi âm thanh điện-chuyển đổi tín hiệu điện tần số cao-thành sóng siêu âm, gây ra sự biến đổi định kỳ về chiết suất của môi trường quang âm-, tạo thành một cách tử âm lượng tương đương.

Khi điều kiện nhiễu xạ Bragg được thỏa mãn, tia laser bị nhiễu xạ, dẫn đến tổn thất khoang cộng hưởng cao và giá trị Q{0}}thấp, ngăn chặn sự dao động của tia laser. Sau khi loại bỏ trường âm, tổn thất khoang giảm nhanh, tạo thành xung laser. Việc điều chỉnh định kỳ giá trị Q- sẽ tạo ra xung laser đầu ra.

Hình 1.12Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ điều biến quang-âm thanh điển hình(a) Tắt RF (chùm tia đầu vào, bộ chuyển đổi, bộ hấp thụ, chùm nhiễu xạ) (b) Bật RF (chùm tia đầu vào, bộ chuyển đổi, sóng âm, bộ hấp thụ, chùm nhiễu xạ)

Trong chuyển đổi âm thanh-Q{1}}quang, tổn thất khoang truyền đơn-là khoảng 50% và tổn thất-khứ hồi là khoảng 75%. Tần số siêu âm đạt đến mức 100 MHz, với bộ chuyển đổi âm thanh điện-được điều khiển bởi tín hiệu RF mức watt{9}}. Bộ điều biến lớn yêu cầu nguồn RF ~10 W và làm mát bằng nước. Các tinh thể có hệ số quang học đàn hồi{13}}cao có thể làm giảm công suất RF nhưng có ngưỡng hư hại quang học thấp hơn so với thạch anh nung chảy. Một mặt của tinh thể thường được trang bị bộ hấp thụ âm thanh để duy trì sự truyền sóng âm thanh di chuyển. Góc lệch chùm tia trong chuyển mạch quang-Q{18}}âm thanh là khoảng 5 độ và tốc độ lặp lại tia laser tối đa có thể đạt tới mức MHz-phù hợp với tốc độ{21}}caoCần bán đèn UVC xa 222 nmứng dụng.

Công nghệ chuyển mạch Q{0}}thụ động

Chuyển mạch Q{0}}thụ động sử dụng bộ hấp thụ bão hòa để kiểm soát hiện tượng mất cộng hưởng, với độ truyền quang thay đổi theo cường độ tia laser được hấp thụ. Cấu trúc của laser chuyển mạch Q-thụ động được thể hiện trong Hình 1.13, chỉ yêu cầu tinh thể hấp thụ bão hòa, khiến nó trở thành cấu hình đơn giản nhất cho laser nhỏ gọn.Ánh sáng UVC xa 222 nm Amazonmô-đun.

Các chất hấp thụ bão hòa được chia thành loại truyền (độ truyền qua tăng theo công suất quang) và loại phản xạ (độ phản xạ tăng theo công suất quang). Quá trình làm việc của một thiết bị truyền dẫn điển hình: ban đầu độ truyền qua thấp dẫn đến tổn hao khoang cao; khi dao động laser tăng lên và công suất quang tăng lên, độ truyền qua tăng đến mức bão hòa, giảm tổn thất khoang cộng hưởng và tạo ra xung laser; sau khi phát xung, công suất trong khoang giảm và độ truyền qua cũng giảm, hoàn thành một chu kỳ chuyển mạch Q-.

Hình 1.13Laser chuyển mạch Q{0}}thụ động (gương, tinh thể laser, tinh thể hấp thụ bão hòa, gương đầu ra).

Chất hấp thụ bão hòa phổ biến bao gồmCr⁴⁺:YAG, V³⁺:YAG, Mè, thủy tinh chì sulfua dựa trên-chấm{1}} lượng tử, lớp phủ than chì và ống nano cacbon đơn{2}}thành; hai cái sau thường được sử dụng để khóa-chế độ thụ động.

So sánh và lựa chọn các phương pháp chuyển đổi Q{0}}khác nhau

Tóm lại, chuyển mạch quang-Q{1}}âm thanh phù hợp hơn với các laser công suất thấp- đến trung bình-, bao gồm cả các laser tạo raánh sáng 222nmđể khử trùng. Cuốn sách này chọn bộ chuyển mạch quang-Q{2}}âm thanh làm giải pháp chuyển mạch Q-cho hệ thống laze.

Tần số phi tuyến-Tinh thể nhân đôi

Chuyển đổi tần số quang phi tuyến dựa vào sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất, tạo ra các hiệu ứng phi tuyến bậc hai{0}}chẳng hạn như tạo sóng hài bậc hai (SHG), tạo tần số tổng (SFG), tạo tần số- chênh lệch (DFG) và chỉnh lưu quang học (OR). Trong số này, SHG là ứng dụng phổ biến nhất: hai photon có bước sóng λ kết hợp phi tuyến để tạo ra một photon có bước sóng λ/2-cần thiết để tạo raĐèn UVC 222nmtừ các nguyên tắc cơ bản 444 nm.

Tần số phi tuyến của tia cực tím-Tinh thể nhân đôi

Trung Quốc đã đạt được tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực tinh thể tia cực tím phi tuyến. Sau đây là những tinh thể thường được sử dụng:

LBO (LiB₃O₅, lithium triborat): Developed by the Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences. Transmission range: 160–2600 nm; easy to grow (>có thể có 5 cm³ tinh thể); góc chấp nhận rộng, độ đồng nhất quang học cao, độ lệch-thấp; khớp pha có thể điều chỉnh theo góc hoặc nhiệt độ; ngưỡng sát thương cao, không-mất ổn định. Được sử dụng rộng rãi trong các laser công suất cao-trung bình-cho SHG, THG, thế hệ sóng hài thứ tư (FOHG), SFG và DFG.

BBO ( -BaB₂O₄, beta-bari borat): Được phát triển bởi Viện Nghiên cứu Cấu trúc Vật chất Phúc Kiến, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc. Phạm vi truyền dẫn: 190–2500 nm; ngưỡng sát thương cao, độ ổn định nhiệt độ tốt, dải-phù hợp pha rộng, độ lưỡng chiết lớn, độ phân tán thấp; nhưng góc chấp nhận nhỏ, bước đi lớn-, hơi chảy nước (cần có lớp phủ bảo vệ). Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp trong các tia laser cực tím cho SHG, THG, FOHG, SFG và DFG, bao gồmánh sáng 222nmhệ thống.

CBO (CsB₃O₅, xesi triborat): Được phát triển bởi Viện Nghiên cứu Cấu trúc Vật chất Phúc Kiến, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc. Phạm vi truyền: 170–3000 nm; ngưỡng sát thương cao, hệ số quang phi tuyến lớn, góc lệch- nhỏ. Các ứng dụng tiềm năng trong laser THG.

CLBO (CsLiB₆O₁₀, xêsi liti borat): Được phát triển bởi Đại học Osaka, Nhật Bản. Phạm vi truyền: 180–2750 nm; dễ dàng phát triển các tinh thể lớn-chất lượng cao, bước đi nhỏ-, góc chấp nhận lớn, độ lưỡng chiết thấp, yêu cầu về chất lượng chùm tia bơm thấp; nhưng rất dễ chảy nước (cần phải bịt kín hoặc bảo quản ở nhiệt độ-cao). Chủ yếu được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm.

BIBO (BiB₃O₆, bismuth triborat): Tinh thể hai trục đơn nghiêng. Phạm vi truyền: 270–2600 nm; hệ số phi tuyến hiệu dụng cao, ngưỡng sát thương cao, bước đi-thấp, dải truyền rộng, không-bị lỏng. Có triển vọng ở vùng nhìn thấy và vùng cực tím, nhưng khó trồng.

KBBF (KBe₂BO₃F₂, kali fluoroberyllium borat): Được phát triển bởi Viện Nghiên cứu Cấu trúc Vật chất Phúc Kiến, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc. Tinh thể phi tuyến UV-sâu. Phạm vi truyền: 155–3700 nm; lưỡng chiết vừa phải, phạm vi-phù hợp pha rộng; có thể đạt được bước sóng UV SHG ngắn nhất là 163,4 nm. Rất hứa hẹn cho các ứng dụng UV/UV{8}}sâu, bao gồmCần bán đèn UVC xa 222 nm, nhưng công nghệ tăng trưởng cần được cải tiến.

KABO (K₂Al₂B₂O₇, kali nhôm borat): Được phát triển bởi Viện Nghiên cứu Cấu trúc Vật chất Phúc Kiến, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc. Phạm vi truyền: 180–3600 nm; lưỡng chiết 0,074, hệ số phi tuyến hiệu dụng nhỏ; sự chấp nhận và bỏ đi-tốt hơn BBO nhưng kém hơn CLBO.

RBBF (RbBe₂BO₃F₂, rubidi fluoroberyllium borat): Báo cáo của Viện Nghiên cứu Cấu trúc Vật chất Phúc Kiến, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc. Phạm vi truyền: 160–3550 nm; khắc phục những khó khăn trong quá trình phát triển và xu hướng nứt của KBBF, tạo ra các tinh thể lớn,-kháng chảy nước, ổn định về mặt hóa học; sâu-Hiệu suất phi tuyến UV kém hơn KBBF một chút.

Ngoài ra, các tinh thể mới nhưycob, GdCOB, ReCOB, VàLB4đang được nghiên cứu nhưng chưa được áp dụng rộng rãi do vấn đề công nghệ tăng trưởng và ngưỡng thiệt hại.

Lựa chọn tần số phi tuyến-Tinh thể nhân đôi

Đối với các tinh thể phi tuyến một trục âm, các phương pháp so khớp pha{0}}chủ yếu bao gồm so khớp pha góc và so khớp pha nhiệt độ:

Khớp pha góc: Đạt được bằng cách chọn hướng truyền ánh sáng (kết hợp độ phân cực và góc cắt tinh thể). Được chia thành Loại I (o+o→e) và Loại II (o+e→e). Dễ bị chệch hướng-; nếu ánh sáng tới vuông góc với trục quang học tinh thể (θ=90 độ ), thì có thể loại bỏ hiện tượng bước đi{6}}.

Khớp pha nhiệt độ: Sử dụng độ nhạy nhiệt độ của hiện tượng lưỡng chiết và tán sắc tinh thể để đạt được sự khớp pha ở mức θ=90 .

Biểu thức hiệu suất chuyển đổi (không tắt-, sóng phẳng, xấp xỉ tín hiệu-nhỏ): 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​] trong đó deffd_{\\text{eff}}deff​ là hệ số phi tuyến hiệu quả, n1,n2n_1, n_2n1​,n2​ là chiết suất của ánh sáng cơ bản, n3n_3n3​ là chiết suất của tổng tần số{60}}ánh sáng, LLL là độ dài đường quang trong tinh thể, Δk\\Delta kΔk là pha không khớp và P2/AP_2/AP2​/A là mật độ năng lượng ánh sáng cơ bản.

Để cải thiện hiệu suất chuyển đổi, hãy chọn các tinh thể có độ lệch pha cao trong Δk=0\\Delta k=0Δk=0 (khớp pha), tăng mật độ năng lượng ánh sáng cơ bản một cách thích hợp và kéo dài chiều dài tinh thể-quan trọng để đạt được hiệu quả chuyển đổiĐèn UVC 222nmtạo trong các hệ thống thực tế.