광소자 제조 분야에서 222nm 레이저의 응용 전망 3

광소자 제조 분야에서 222nm 레이저의 응용 전망 3
전기-광학 Q-스위칭 기술

전기-Q{1}}스위치 레이저의 구조는 그림 1.9에 나와 있습니다. 전기-광학 Q-스위칭은 전기-광학 변조기(전기-광학 Q-스위치)를 사용하여 캐비티 손실을 제어합니다. 전기-변조기에 전압이 가해지면 전기-광학 효과(포켈스 효과)가 빛의 편광 상태를 변조합니다. 또한 공진 공동에 편광기 또는 편광 빔 분할기를 배치하면 레이저 진동 손실을 제어할 수 있습니다. 따라서 전기-광학 Q-스위칭은 전기 신호에 의해 트리거되는 Q-스위칭을 달성하여 레이저 펄스를 생성합니다. 다음과 같이 정밀한 심{17}}UV 출력이 필요한 응용 분야에 사용됩니다.222 nm 원거리 UVC 조명 판매, 이 기술은 안정적인 펄스 제어를 보장합니다.

그림 1.9전기-Q-스위치 레이저의 구조(거울, 레이저 크리스탈, 편광판, 전기-Q-스위치, 출력 미러).

포켈스 효과를 이용하여 빛의 편광 상태를 변조하는 장치를 포켈스 셀이라고 합니다. 포켈스 셀의 구조는 그림 1.10에 나와 있습니다. 전기장 방향이 레이저 진동 방향과 평행한 포켈스 셀을 종방향 장치라고 합니다. 전기장이 레이저 진동 방향에 수직인 것을 가로 장치라고 합니다. 종방향 장치에서 전극 간격은 투명 개구 크기와 무관하며 필요한 전압도 개구와 무관하므로 대형-개구 개구 포켈 셀을 제조하는 데 적합합니다. 가로형 장치에서 전극 간격은 구멍 크기에 따라 달라지므로 큰-구멍이 있는 Pockels 셀에는 적합하지 않지만 작은-구멍이 있는 응용 분야에서는 전압을 어느 정도 줄일 수 있습니다.

그림 1.10포켈 셀 구조(a) 종방향 장치(전기-광학 재료, 전기 신호) (b) 가로 장치(전기-광학 재료, 전기 신호)

심자외선 222nm 고체-상태 레이저 기술

출력광과 입력광 사이에 π의 위상차를 생성하는 Pockels 셀에 적용되는 전압을 반{0}}파 전압(λ/2 전압)이라고 하며 일반적으로 범위는 수백 ~ 수천 볼트입니다. π/2 위상차를 생성하는 전압을 1/4{4}}파 전압(λ/4 전압)이라고 합니다. 포켈스 셀에 이러한 전압을 적용하면 해당 파장판과 동일한 효과가 나타납니다. 전기-광학 Q-스위치에서 편광 빔 스플리터를 삽입하고 1/4{10}}파 전압을 적용하면 빛이 왕복으로 포켈스 셀을 두 번 통과하여 편광 방향이 90도 회전합니다. 그러면 편광 빔 스플리터가 광 전파를 차단하여 공동 손실을 변경합니다. 이 원리는 높은-피크-전력 펄스를 생성하는 데 중요합니다.원거리 UVC 광 222nm 아마존호환되는 소독 시스템.

전기-광학 Q-스위치를 제조하는 데 수많은 결정이 사용됩니다.

예를 들어,LiNbO₃결정체는 압전 계수의 변화가 적고 온도 적응 범위가 넓기 때문에(-50~60도) 군사용으로 흔히 사용됩니다.

KD²PO₄ (KD*P)그리고KDP상업적으로 흔한 결정이다. 종방향 장치는 일반적으로 워크오프 효과를 제거하는 데 사용됩니다.- KDP의 압전 계수는 온도-에 민감하고 열 유도 복굴절로 인해 탈분극되기 쉽습니다. 이는 편광 회전기와 두 개의 전기{4}}결정을 사용하여 보상할 수 있습니다.

LGS비선형 결정은 조해성에 대한 저항성과 넓은 전송 대역과 같은 장점을 제공하여 전기{0}}광학 Q-스위치 제조에 큰 잠재력을 보여줍니다.222nm 빛소스.

주기적으로 극성을 갖는 니오브산리튬(PPLN)크리스털은 동등한 브래그 변조기(Bragg modulator)로 기능할 수 있습니다. Q-스위칭 장치로서 저전압(<200 V) and repetition rates up to 10 kHz, but their damage threshold needs improvement.

현재 기존의 전기{0}}결정은 전도성 및 전기{2}}계수와 같은 요인으로 인해 일반적으로 10kHz 미만의 반복률로 제한됩니다. PPLN과 같은 신흥 크리스털은 미성숙하고 고전력- 연속 작동을 유지할 수 없습니다. 하지만,RTP, BBO, 그리고LGS높은 반복률(대략 100kHz)을 달성할 수 있습니다. RTP는 큰 전기광학 계수와 1/4{2}}파 전압이 1kV에 불과합니다. BBO는 작은 전기-광학 계수와 최대 3kV의 1/4{5}}파 전압을 갖습니다. LGS는 상당한 광학 활성을 나타내어 제조를 복잡하게 만듭니다.

표 1.6전기-Q-스위칭 장치에 대한 여러 일반적인 결정의 성능 비교 [99−100]

Acousto-Optic Q-스위칭 기술

음향-광학 Q-스위칭 메커니즘에는 음향광학 매체를 통해 전파되는 초음파가 포함되어 레이저 빔을 편향시켜 공동 손실을 제어합니다. 음향-광학 Q-스위치 레이저의 구조는 그림 1.11에 나와 있습니다. 전기-광학 Q-스위칭과 비교할 때 펄스 변조를 달성하려면 음향-광학 변조기(음향-광학 Q-스위치)만 필요하므로 통합에 이상적인 보다 컴팩트한 구조를 갖습니다.222nm UVC 빛시스템.

그림 1.11음향-광학 Q-스위치 레이저의 구조(거울, 레이저 크리스털, 음향-광학 Q-스위치, 출력 미러).

일반적인 음향{0}}변조기의 구조와 작동 원리는 그림 1.12에 나와 있습니다.

크리스탈은 일반적으로용융 석영또는텔루라이트 유리, 광학면에 반사 방지 코팅이 되어 있습니다.

전기-변환기는 고주파-주파수 전기 신호를 초음파로 변환하여 음향 광학 매질의 굴절률을 주기적으로 변화시켜 등가 체적 격자를 형성합니다.

브래그 회절 조건이 만족되면 레이저가 회절되어 공동 손실이 높고 Q{0}}값이 낮아 레이저 발진이 방지됩니다. 음향장이 제거되면 공동 손실이 급격히 감소하여 레이저 펄스가 형성됩니다. Q- 값을 주기적으로 변조하면 펄스 레이저 출력이 생성됩니다.

그림 1.12일반적인 음향{0}}변조기의 구조 및 작동 원리(a) RF 꺼짐(입력 빔, 변환기, 흡수체, 회절 빔) (b) RF 켜짐(입력 빔, 변환기, 음파, 흡수체, 회절 빔)

음향-광학 Q-스위칭에서 단일-통과 공동 손실은 약 50%이고 왕복-트립 손실은 약 75%입니다. 초음파 주파수는 와트- 수준의 RF 신호로 구동되는 전기-음향 변환기를 사용하여 100MHz 정도에 도달합니다. 대형 변조기에는 ~10W RF 전력 및 수냉이 필요합니다. 탄성-광학 계수가 높은 수정은 RF 전력을 줄일 수 있지만 용융 석영보다 광학 손상 임계값이 낮습니다. 크리스탈의 한 면에는 일반적으로 진행파 음향 전파를 유지하기 위한 음향 흡수 장치가 장착되어 있습니다. 음향-광학 Q- 스위칭의 빔 편향 각도는 약 5도이며 최대 레이저 반복 속도는 고속에 적합한-MHz 수준에 도달할 수 있습니다-222 nm 원거리 UVC 조명 판매응용 프로그램.

패시브 Q-스위칭 기술

패시브 Q-스위칭은 포화 흡수체를 사용하여 공동 손실을 제어하며 광 투과율은 흡수된 레이저 강도에 따라 달라집니다. 수동 Q-스위치 레이저의 구조는 그림 1.13에 나와 있으며 포화 흡수체 결정만 필요하므로 소형 레이저의 가장 간단한 구성이 됩니다.원거리 UVC 광 222nm 아마존모듈.

포화흡수체는 투과형(광출력에 따라 투과율 증가)과 반사형(광출력에 따라 반사율 증가)으로 구분됩니다. 일반적인 투과 장치의 작동 과정: 처음에는 투과율이 낮아 공동 손실이 높습니다. 레이저 진동이 증가하고 광 출력이 증가하면 투과율이 포화 상태까지 증가하여 공동 손실이 감소하고 레이저 펄스가 생성됩니다. 펄스 방출 후 공동 내 전력이 감소하고 투과율도 떨어지며 Q-스위칭 주기가 완료됩니다.

그림 1.13패시브 Q{0}}스위치 레이저(거울, 레이저 수정, 포화 흡수 수정, 출력 거울).

일반적인 포화 흡수체에는 다음이 포함됩니다.Cr⁴⁺:YAG, V³⁺:YAG, 세삼, 양자-점- 기반 황화납 유리, 흑연 코팅 및 단일{2}}탄소 나노튜브; 후자의 두 개는 일반적으로 수동 모드-잠금에 사용됩니다.

다양한 Q-스위칭 방법의 비교 및 ​​선택

요약하면, 음향-광학 Q-스위칭은 다음을 포함하여 저{2}}~중{3}}출력 레이저에 더 적합합니다.222nm 빛소독을 위해. 이 책에서는 레이저 시스템을 위한 Q-스위칭 솔루션으로 음향-광학 Q-스위치를 선택합니다.

비선형 주파수-배가 결정

비선형 광 주파수 변환은 빛과 물질 사이의 상호 작용에 의존하여 2차 고조파 생성(SHG), 합-주파수 생성(SFG), 차-주파수 생성(DFG) 및 광 정류(OR)와 같은 2차-비선형 효과를 생성합니다. 이 중 SHG가 가장 일반적인 응용 분야입니다. 파장 λ의 두 광자가 비선형적으로 결합하여 생성에 필수적인 파장 λ/2의 광자를 생성합니다.222nm UVC 빛444nm 기본부터.

자외선 레이저 비선형 주파수-이중 결정

중국은 비선형 자외선 결정 분야에서 상당한 진전을 이루었습니다. 다음은 일반적으로 사용되는 결정입니다.

LBO(LiB₃O₅, 삼붕산리튬): Developed by the Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences. Transmission range: 160–2600 nm; easy to grow (>5cm³ 결정 가능); 넓은 수용각, 높은 광학적 균질성, 낮은 워크오프-; 각도나 온도에 따라 조정 가능한 위상 정합; 높은 손상 임계값, 비-조해성. SHG, THG, FOHG(4차 고조파 발생), SFG 및 DFG용 고-평균-출력 레이저에 널리 사용됩니다.

BBO(-BaB²O₄, 베타-바륨 붕산염): 중국과학원 복건성 물질구조연구소에서 개발했습니다. 전송 범위: 190~2500nm; 높은 손상 임계값, 우수한 온도 안정성, 넓은 위상-정합 대역, 큰 복굴절, 낮은 분산; 그러나 작은 수용각, 큰 이탈-, 약간의 조해성(코팅 보호 필요). 다음을 포함하여 SHG, THG, FOHG, SFG 및 DFG용 자외선 레이저에 산업적으로 널리 사용됩니다.222nm 빛시스템.

CBO(CsB₃O₅, 삼붕산세슘): 중국과학원 복건성 물질구조연구소에서 개발했습니다. 전송 범위: 170~3000nm; 높은 손상 임계값, 큰 비선형 광학 계수, 작은 보행-오프 각도. 레이저 THG의 잠재적 응용 분야.

CLBO(CsLiB₆O₁₀, 세슘 리튬 붕산염): 일본 오사카 대학에서 개발. 전송 범위: 180~2750nm; 성장하기 쉬운 대형 고품질-결정체, 작은 워크오프-, 큰 수용각, 낮은 복굴절, 낮은 펌프 빔 품질 요구사항; 그러나 조해성이 매우 높습니다(밀봉 또는 고온-보관 필요). 주로 실험연구에 사용됩니다.

BIBO(BiB₃O₆, 삼붕산비스무트): 단사정계 이축 결정. 전송 범위: 270~2600nm; 높은 유효 비선형 계수, 높은 손상 임계값, 낮은 워크-오프, 넓은 전송 대역, 비-조해성. 가시광선 및 자외선 영역에서 유망하지만 성장이 어렵습니다.

KBBF(KBe₂BO₃F₂, 플루오로베릴륨붕산칼륨): 중국과학원 복건성 물질구조연구소에서 개발했습니다. Deep-UV 비선형 결정. 전송 범위: 155~3700nm; 적당한 복굴절, 넓은 위상-정합 범위; 163.4 nm의 가장 짧은 UV SHG 파장을 달성할 수 있습니다. 다음을 포함한 UV/원-UV 응용 분야에 매우 유망합니다.222 nm 원거리 UVC 조명 판매, 그러나 성장 기술은 개선이 필요합니다.

KABO(K2Al2B2O₇, 붕산알루미늄칼륨): 중국과학원 복건성 물질구조연구소에서 개발했습니다. 전송 범위: 180~3600nm; 복굴절 0.074, 작은 유효 비선형 계수; 수용 및 보행{4}}각도는 BBO보다 우수하지만 CLBO보다 열등합니다.

RBBF(RbBe₂BO₃F₂, 루비듐 플루오로베릴륨 붕산염): 중국과학원 복건성 물질구조연구소에서 보고한 내용입니다. 전송 범위: 160~3550nm; KBBF의 성장 어려움과 균열 경향을 극복하고 큰 결정을 생성하며 조해성-저항성이 있고 화학적으로 안정합니다. deep-UV 비선형 성능은 KBBF보다 약간 낮습니다.

또한, 다음과 같은 새로운 결정체도 있습니다.YCOB, GdCOB, 리콥, 그리고LB4연구 중이지만 성장 기술 및 손상 임계값 문제로 인해 널리 적용되지는 않습니다.

비선형 주파수-배가 결정 선택

음의 단축 비선형 결정의 경우 위상-정합 방법에는 주로 각도 위상 정합과 온도 위상 정합이 포함됩니다.

각도 위상 매칭: 빛의 전파 방향(편광과 결정 절단 각도의 결합)을 선택하여 달성됩니다. Type I(o+o→e)과 Type II(o+e→e)로 구분됩니다. 빔 워크- 경향이 있음; 입사광이 수정 광축(θ=90 도)에 수직인 경우 워크-오프가 제거될 수 있습니다.

온도 위상 매칭: 결정 복굴절 및 분산의 온도 감도를 활용하여 θ=90도에서 위상 일치를 달성합니다.

변환 효율 표현(보행 없음-오프, 평면파, 작은-신호 근사): eta=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]n=P1​P3​​=8π2ϵ0​cn1​n2​n3​λ32​A​deff2​L2AP2​​⋅sinc2[2∣Δk∣L​] 여기서 deffd_{\\text{eff}}deff​는 유효 비선형 계수 n1,n2n_1입니다. n_2n1​,n2​는 기본광의 굴절률, n3n_3n3​은 합-주파수 빛의 굴절률, LLL은 결정의 광 경로 길이, Δk\\Delta kΔk는 위상 불일치, P2/AP_2/AP2​/A는 기본 광 전력 밀도입니다.

변환 효율을 높이려면 Δk=0\\Delta k=0Δk=0(위상 정합)에서 defd_{\\text{eff}}deff​가 높은 결정을 선택하고, 기본 광 전력 밀도를 적절하게 높이고, 효율에 중요한 결정 길이-를 연장하세요.222nm UVC 빛실제 시스템의 생성.