광소자 제조 분야에서 222nm 레이저의 응용 전망 4
전력 밀도와 적절한 길이의 결정 선택
비선형 주파수-배가 결정을 선택할 때 앞서 언급한 영향 요인을 고려하는 것 외에도 일반적으로 다음 요구 사항도 충족해야 합니다.
① 적당한 복굴절 값(각도 위상 일치를 채택하는 경우 위상 일치 각도가 있어야 함)
② 가능한 가장 작은 보행-각도;
③ 온도, 각도, 스펙트럼 수용 대역폭을 최대한 크게 한다.
④ 비선형 변환 효율(특히 자외선 대역)에 영향을 주지 않는 넓은 투명 파장 범위;
⑤ 상대적으로 높은 피해 기준치;
⑥ 재배가 쉽고 준비비용이 저렴하다.
⑦ 물리화학적 특성과 기계적 안정성이 우수합니다.
이 연구에서는 판매용 222nm 원거리 UVC 광이 이러한 발전의 이점을 누릴 수 있는 응용 분야를 포함하여 주로 비선형 주파수-배가 결정을 사용하여 2차 고조파를 생성합니다. 비선형 주파수-배가 결정으로 주파수를 배가시키는 과정에서 주파수-배가 효율을 높이기 위해서는 기본 주파수 광과 주파수{5}}배가된 광이 위상 정합 조건을 만족하는 것이 전제 조건이다. 위상 일치를 달성하는 방법에는 임계(각도) 및 비-임계(온도) 위상 일치라는 두 가지 방법이 있습니다. 일반적으로 온도 위상 정합은 더 높은 주파수-배 효율과 더 나은 빔 품질을 달성할 수 있지만 온도 제어 상자가 필요하므로 구조가 복잡하고 부피가 크며 비용이 높습니다. 따라서 본 연구에서는 각도 위상 정합 비선형 결정이 사용됩니다. 457nm 청색광과 222nm 깊이의 자외선 광(예: 222nm 광)을 생성하는 데 사용되는 비선형 주파수- 배가 결정의 특성은 표 1.7에 요약되어 있습니다.
표 1.7 비선형 주파수-457nm 및 222nm 레이저를 생성할 수 있는 이중 결정의 특성
| 결정 | 성능 매개변수 | 비보 | LBO | BBO | KBBF | RBBF |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 비선형 계수 | 457nm | 3.44 | 0.803 | 2.01 | 0.436 | 0.412 |
| 222nm | - | - | 1.38 | 0.387 | 0.344 | |
| 수용각 | 457nm | 1.13 | 4.56 | 0.89 | 1.43 | 1.54 |
| 222nm | - | - | 0.36 | 0.47 | 0.52 | |
| 도보-오프 각도 /mrad | 457nm | 44.99 | 12.48 | 61.76 | 43.36 | 40.04 |
| 222nm | - | - | 75.68 | 66.05 | 58.72 | |
| 위상 정합 각도/(°) | 457nm | 159.6(θ) 90.0(ψ) | 90.0(θ) 21.7(Φ) | 25.8(θ) | 22.0(θ) | 23.7(θ) |
| 222nm | - | - | 61.4(θ) | 43.9(θ) | 48.1(θ) | |
| 흡습성 | 흡습성이 어렵다 | 약간 흡습성 | 약간 흡습성 | 비-흡습성 | 비-흡습성 | |
| 전송 대역폭/nm | 286~2500 | 160~2600 | 185~2600 | 147~3500 | 165~3500 |
사붕산 리튬 LiB₃O₅(LBO) 및 붕산 비스무트 BiB₃O₅(BiBO)는 근적외선 대역에서 주파수 배가를 실현하여 청색광을 생성할 수 있는 상용 비선형 주파수-이중 결정체로서, 잠재적으로 원적외선 222nm 아마존과 같은 제품을 지원할 수 있습니다. 914nm 레이저의 2차-고조파 발생(SHG)에서 BiBO는 3.44pm/V의 큰 비선형 계수를 갖지만 44.99mrad의 큰 워크-오프 각도는 획득된 광점의 빔 품질이 좋지 않아 주파수-2배 효율이 감소합니다. 따라서 본 실험에서는 BiBO 결정을 사용하지 않았습니다.
심자외선 222nm 고체-상태 레이저 기술
LBO는 12.48mrad의 작은 워크오프 각도를 갖고 222nm UVC 광을 생성하는 데 이상적이기 때문에 이 연구에서 2차{0}}고조파 생성 결정으로 선택되었습니다. LBO는 0.803pm/V의 작은 비선형 계수를 가지지만, LBO의 길이를 연장함으로써 상대적으로 작은 비선형 계수를 보완할 수 있습니다. 현재 자외선 주파수 배가를 위해 일반적으로 사용되는 비선형 결정은 주로 β−BaB²O₄(BBO) 및 CsLiB₆O₁₀(CLBO) 결정입니다. 그중 CLBO 결정은 상대적으로 높은 비선형 계수, 작은 워크{8}}오프 각도 및 자외선 대역에서 레이저 흡수가 거의 없으므로 판매용 222nm 원거리 UVC 광과 같은 변형을 포함하여 고성능 자외선 광 출력을 생성하는 데 도움이 됩니다. 그러나 CLBO 크리스탈은 457nm에서 위상 정합을 달성할 수 없습니다(2차-고조파 생성용). RbBe2BO₃F2(RBBF) 및 KBe2BO₃F2(KBBF) 결정도 주파수 이중화를 통해 222nm 레이저를 생성할 수 있지만 유효 비선형 계수가 작아 성장 기술이 여전히 개선되어야 합니다. 그들은 원적외선 222nm 아마존과 같이 더 접근하기 쉬운 옵션과 달리 고효율 자외선 레이저 출력을 달성하는 데 도움이 되지 않는 상용 제품을 만들지 않았습니다. 다른 결정과 비교하여 BBO 결정은 유효 비선형 계수가 크고 손상 임계 값이 높으며 광 투과 파장 범위가 넓은 우수한 비선형 결정입니다. 광학 성능은 매우 안정적입니다. 현재 222nm 광과 같은 자외선 및 심자외선 레이저를 생성하는 데 가장 널리 사용되는 상업용 결정이며 가격이 적당합니다. 따라서 본 연구에서는 BBO를 4차-고조파 생성 결정으로 선택했습니다. 비선형 광학의 자세한 이론과 LBO 및 BBO 주파수{26}}배기 결정의 매개변수 설계는 4장에서 자세히 소개됩니다.
위의 분석과 다양한 레이저 이득 매질, LD 펌핑 방법, 공진 공동, Q-스위칭 방법 및 비선형 주파수-배기 결정 특성의 선택을 기반으로 이 작업의 기술적 경로가 제안됩니다. LD 엔드-펌프 Nd:YVO₄ 및 음향-광 Q-스위칭 기술을 사용하여 914nm 레이저의 펄스 작동을 실현합니다. AV- 모양의 레이저 공진 공동과 LBO 주파수- 배가 결정은 공동 내 2차- 고조파 생성에 사용되어 457nm 레이저 출력을 얻습니다. 그런 다음 BBO 크리스탈과 렌즈 포커싱 방법을 사용하여 457nm 청색광의 외부공동 주파수를 두 배로 늘려 심자외선 222nm 레이저 출력을 실현함으로써 222nm UVC 광 응용 분야의 개발에 영감을 줄 수 있습니다.
그림 1.15 심자외선 222nm 레이저 구현을 위한 고체-상태 레이저의 기본 구조 개략도
(다이어그램 내용: LD 펌프 소스 → 커플 링 시스템 → M₁ → Nd:YVO₄ → 음향-광학 Q-스위치 → M2 (LBO) → M → M₃ → BBO → M₄ → 222nm; 914nm 및 457nm 레이저 경로 표시)
1장 소개
1.5 이 책의 주요 내용
이 책에서는 판매용 222nm 원적외선 레이저와 같은 신흥 시장과 관련된 고효율 및 컴팩트한 구조를 갖춘 Nd:YVO₄ 준-3{5}}레벨 시스템의 914nm 스펙트럼 라인의 4차-고조파 생성을 통해 222nm 심자외선 레이저를 생성하는 고체-레이저 기술을 주로 소개합니다. 이 책은 총 6장으로 구성되어 있으며, 구성과 주요 내용은 다음과 같다.
1장 소개
심자외선 222nm 대역 레이저의 연구 배경과 의의, 전-고체-상태 레이저의 개발 역사를 소개하고, 전-고체-상태 심자외선 레이저의 주요 구현 기술 및 개발 개요에 중점을 둡니다. 이를 바탕으로 이 책에서 채택한 기술적 경로를 제안하고, 이 방안의 주요 문제점과 이 책의 연구 방향을 지적한다.
2장 Nd:YVO₄ 914nm 레이저의 이론 및 열 효과 분석
정상 상태에서의 준-3-레벨 레이저 속도 방정식에서 시작하여 Nd:YVO₄ 레이저 결정의 재흡수 효과, 진동 빔 웨이스트 반경에 대한 펌프 스폿의 크기 비율 및 914nm 레이저 출력 성능에 대한 결정 길이의 영향을 소개합니다. 열전도 이론을 바탕으로 LD 엔드-펌프 914nm Nd:YVO₄ 레이저 모델이 확립되었습니다. 펌프 광 분포가 가우시안인 경우 분석 방법을 통해 해를 구합니다. 이득 매질 내부에서 열 렌즈 효과를 발생시키는 온도 굴절률 차이, 응력 복굴절, 결정 단면의 열팽창 등 세 가지 요소의 비율을 비교하고 평면-평행 공진 공동 방법을 통해 열 초점 거리를 실험적으로 측정합니다.
3장 음향-광학 Q-스위칭 기술과 V-형 공진 공동 설계
음향-광학 Q-스위치 914nm Nd:YVO₄ 속도 방정식의 이론적 모델을 확립하고, 출력 레이저 펄스 폭에 영향을 미치는 요인을 분석합니다. 수치계산 및 시뮬레이션을 통해 음향-광학 Q-스위치 914nm Nd:YVO₄ 레이저의 상하 에너지 레벨의 입자 수, 펄스 폭, 단일-펄스 에너지와 펌프 출력 및 반복 주파수 간의 관계를 연구합니다. 공진 공동 매개변수를 설계하기 위해 빔 품질에 대한 열 효과를 이용한 일관된 제어 기술이 제안되었습니다. 표준 ABCD 전송 매트릭스 이론과 공진 공동의 안정성 조건을 사용하여 서브-암 공동의 길이에 따른 레이저의 3{11}}거울 접힌 공동의 서로 다른 위치에서 진동 지점의 크기 변화를 분석하고 자세히 논의합니다.
4장 비선형 주파수-이중 이론 및 주파수-이중 결정 설계
맥스웰 방정식을 시작으로 비선형 광학 효과의 발생 메커니즘과 유형 I 및 유형 II 결정 주파수 배가를 위한 위상 정합 조건을 로렌츠 모델, 굴절률 방정식, 전자파와 물질 사이의 상호 작용 이론을 통해 체계적으로 분석합니다. 분산 방정식과 유효 비선형 계수의 표현을 결합하여 457nm 및 222nm 레이저를 생성하는 데 사용되는 LBO/BBO 주파수- 배가 결정의 위상 일치 각도 및 유효 비선형 계수를 수치적으로 계산합니다.
심자외선 222nm 고체-상태 레이저 기술
5장 심자외선 222nm 고체-상태 레이저 실험
이전 장의 이론적 연구와 매개변수 설계를 바탕으로 222nm 레이저를 최적화하는 실험을 수행합니다. 첫째, 모드 매칭을 고려하여 상대적으로 높은 출력과 우수한 빔 품질을 갖춘 457nm 연속 레이저 출력을 얻기 위해 457nm 연속 레이저의 최적화 실험을 수행합니다. 그런 다음 적절한 초점 거리, BBO 결정의 길이 및 배치 위치를 가진 초점 렌즈를 선택하여 457nm 레이저의 외부 캐비티 집속 주파수 배가를 수행하여 222nm 연속 레이저를 얻습니다. 음향-광학 Q-스위칭 기술과 결합된 연속 457nm 레이저를 기반으로 변조 주파수를 변경하여 최대 피크 전력을 갖는 457nm 펄스 레이저 출력을 찾습니다. 그런 다음 Extracavity 렌즈에 의해 초점이 맞춰지고 BBO 결정에 의한 주파수 배가를 통해 222nm 펄스 레이저가 생성됩니다. 또한, 판매용 222nm 원적외선(far uvc) 광과 222nm 광의 실용화에 부합하는 펄스형 222nm 레이저에 의한 박테리아 불활성화에 관한 실험적 연구가 진행되고 있다.
