자외선 222nm 고체-상태 레이저 실험
5.2.1 457nm 연속 레이저 출력
펌프 스폿 크기와 캐비티 길이가 레이저 출력에 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 고성능-457nm 연속 레이저 출력을 달성하기 위해 다양한 펌프 스폿 크기와 레이저 공진기 암 길이 L1L_1L1, L2L_2L2에서 실험을 수행했습니다. 그림 5.7은 공진기 암 길이 L1L_1L1 및 L2L_2L2가 각각 82mm와 30mm이고 펌프 스폿 반경 wpw_pwp가 약 200μm, 300μm 및 400μm인 경우 주입된 펌프 전력과 457nm 연속 레이저 출력 사이의 관계를 보여줍니다.
그림 5.7 다양한 펌프 스폿 크기에서 457nm 연속 레이저 출력과 주입된 펌프 출력 간의 관계
(곡선: wpw_pwp=200 μm(사각형), wpw_pwp=300 μm(원), wpw_pwp=400 μm(삼각형); 세로 축: 출력 전력 / W; 가로 축: 주입된 펌프 전력 / W; 범위 10–45).
그림 5.7에서 주입된 펌프 전력 41W에서 최대 457nm 연속 레이저 출력 전력은 1.6W(wpw_pwp=300μm), 2.2W(wpw_pwp=200μm) 및 1.2W(wpw_pwp=400μm)입니다. wpw_pwp=200 μm의 빔 품질은 wpw_pwp=300 μm 또는 400 μm의 빔 품질보다 좋습니다. wpw_pwp=300 μm 또는 400 μm에 비해 457 nm 레이저 출력 성능은 wpw_pwp=200 μm에서 우수합니다. 그 이유는 914 nm 진동 빔 웨이스트에 대한 펌프 스폿 크기의 비율이 wpw_pwp=200 μm에서 더 적절하기 때문입니다. 이러한 실험 결과는 이전 장의 레이저에 대한 이론적 분석과 일치하며 관련 최적화 전략도 알려줍니다.222nm 원거리 UVC시스템.
다음으로 공진기 암 길이가 최적화되었습니다. 먼저, 팔 길이 L2L_2L2를 30mm로 고정하고, 팔 길이 L1L_1L1을 변화시키는 것이 457nm 연속 레이저 출력에 미치는 영향을 실험적으로 연구했습니다. L1L_1L1=82 mm, 83 mm 및 84 mm에서 주입된 펌프 전력과 457 nm 연속 레이저 출력 간의 관계가 그림 5.8(a)에 나와 있습니다. 그림 5.8(a)에서 볼 수 있듯이 출력 전력 곡선은 L1L_1L1이 82mm, 83mm, 84mm인지 여부에 관계없이 매우 유사합니다. 따라서 긴 팔 L1L_1L1의 작은 변화는 457nm 연속 레이저 출력에 미미한 영향을 미칩니다. 그 이유는 L1L_1L1의 변화가 레이저 공진기 내의 다양한 위치에서 진동 스폿 크기에 최소한의 변화를 일으키기 때문입니다. 잠재적인 통합을 포함한 후속 실험을 위해 캐비티 내부에 충분한 조정 공간을 확보하기 위해-UVC222주파수 변환 단계-L1L_1L1은 83mm로 설정되었습니다.
그림 5.8 다양한 팔 길이에서 457nm 연속 레이저 출력과 주입된 펌프 출력 간의 관계:
(a) 암 L1L_1L1: L1L_1L1=82 mm (사각형), L1L_1L1=83 mm (원), L1L_1L1=84 mm (삼각형); (b) 암 L2L_2L2: L2L_2L2=32 mm (삼각형), L2L_2L2=31 mm (사각형), L2L_2L2=30 mm (원); 수직축: 출력 전력/W; 가로축: 주입된 펌프 동력/W.
그런 다음 wpw_pwp ≒ 200μm 및 공진기 암 L1L_1L1을 고정한 상태에서 공진기 암 L2L_2L2를 변경하는 것이 457nm 연속 레이저 출력 및 빔 품질에 미치는 영향을 실험적으로 조사했습니다. 주입된 펌프 전력과 L2L_2L2=30 mm, 31 mm 및 32 mm에서 457 nm 연속 레이저 출력 사이의 관계는 그림 5.8(b)에 나와 있습니다. 그림 5.8(b)에서 주입된 펌프 전력 41W에서 최대 457nm 연속 레이저 출력 전력은 2.2W(L2L_2L2=30mm), 2.6W(L2L_2L2=31mm) 및 1.95W(L2L_2L2=32mm)입니다. 또한 L2L_2L2=31 mm의 빔 품질은 L2L_2L2=30 mm 또는 32 mm보다 우수하며, 빔 프로필과 품질은 그림 5.9에 나와 있습니다. 또한 그림 5.8(b)는 457nm 연속 레이저 출력이 L2L_2L2의 변화에 상대적으로 민감하다는 것을 나타냅니다. 그 이유는 L2L_2L2의 변화가 공진기의 다양한 위치에서 진동 스폿 크기에 큰 영향을 미치고 펌프 스폿과 레이저 발진 스폿 간의 공간 모드 일치를 변경하여 레이저 출력 성능에 영향을 미치기 때문입니다. 이는 이전 장의 이론적 분석과 일치합니다. 따라서 실험 중에 펌프 스폿 크기와 공진기 암 L2L_2L2 길이를 신중하게 조정하여 최적의 모드 중첩을 유지해야 합니다.원적외선 222nm레이저 디자인.
그림 5.9 최대 457nm 연속 레이저 출력에서 빔 품질 및 스폿 프로파일
(색상 그림 참조) (곡선은 스폿 직경과 전파 거리를 나타냅니다. x-수평 M2M^2M2=1.2, y-수직 M2M^2M2=1.13; 중간에 스폿 이미지 삽입).
5.2.2 222nm 연속 레이저 출력
유형-I 위상-정합 BBO 주파수- 배가 수정은 457nm 연속 레이저의 외부공동 주파수 배가를 위해 사용되었습니다. 캐비티 이중화 섹션은 간단한 렌즈 포커싱 방식을 사용했습니다. 457 nm 레이저의 주파수-2배 효율을 향상시키기 위해 Boyd와 Kleinman이 정의한 최적의 포커싱 조건이 적용되었습니다⁽1⁾: 2ZrL=2.842Z_r L=2.842ZrL=2.84 (5.10). 여기서 LLL은 비선형 결정 길이이고 ZrZ_rZr은 포커싱된 빔의 레일리 길이입니다. 이 조건과 457 nm 출력 빔 품질을 기반으로 포커싱 렌즈 M3의 적절한 초점 거리, BBO 크리스탈 길이 및 배치 위치가 선택되었습니다. 본 실험에서 렌즈 M3의 초점거리는 150mm, BBO 결정길이는 8mm였다. 457 nm 연속 레이저는 렌즈 M3에 의해 초점이 맞춰지고 BBO 결정을 통과하여 222 nm 레이저 광을 생성합니다. 레이저 스펙트럼은 Ocean HR4000CG-UV-NIR 분광계를 사용하여 측정되었으며 결과는 그림 5.10에 나와 있습니다. 스펙트럼은 457 nm, 222 nm의 선과 808 nm의 펌프 광을 보여줍니다. 이색 프리즘을 통과한 후 백서에 여기된 457 nm 및 222 nm 레이저 스폿이 그림 5.11에 나와 있습니다.
2.6W 457nm 연속 레이저는 BBO 결정을 통과한 후 6mW의 222nm 심자외선 레이저를 생성했습니다.-살균 잠재력이 신흥 레이저와 비슷합니다.222nm 원거리 UVC소스는 다르지만 파장이 다릅니다. 222nm 레이저 출력 전력과 457nm 주입 전력 사이의 관계는 그림 5.12에 나와 있습니다. 그림 5.13은 최대 출력에서 THORLABS BP209-VIS 스캐닝 슬릿 빔 프로파일러를 사용하여 측정된 222nm 레이저 스폿 프로파일을 보여줍니다. BBO 결정에서 457nm 레이저의 주파수를 두 배로 늘린 후 222nm 두 배로 된 빛의 큰 워크오프 각도로 인해 스폿은 타원형입니다. 그림 5.14는 2시간에 걸쳐 6mW에서 222nm 레이저 출력 전력의 안정성 테스트를 보여 주며, 2.2%의 안정성을 나타냅니다.
그림 5.10 레이저 스펙트럼
(가로 축: 파장/nm; 세로 축: 강도/개수; 222 nm, 457 nm 및 808 nm 선 표시).
그림 5.11 흰 종이에 여기된 레이저 스폿 효과
(표시: 이색 프리즘, 457 nm 스폿, 222 nm 스폿).
그림 5.12 222nm 연속 레이저 출력과 주입된 457nm 레이저 출력 간의 관계
(세로 축: 222 nm 출력 전력/mW; 가로 축: 457 nm 주입 전력/W; 곡선은 상승 추세를 나타냄).
최대 출력 전력에서 그림 5.13 222 nm 연속 레이저 스폿 프로파일
그림 5.14 최대 출력 전력에서 222nm 연속 레이저의 안정성 테스트
(세로 축: 222 nm 평균 전력/mW; 가로 축: 시간/분; 약 6 mW에서 안정적인 곡선).
5.2.3 457 nm 펄스 레이저 출력
222nm 레이저를 생성하기 위해 457nm 레이저의 외부공동 주파수 두 배 효율을 향상시키기 위해-잠재적으로 확장 가능UV 222nm수정된 비선형 광학 장치를 갖춘 펄스 소스-음향-광학 Q-스위치가 위의 연속 457nm 레이저 출력을 기반으로 L1L_1L1에 삽입되었습니다. Q-스위치를 활성화하기 전에 진동광이 최적의 회절 위치와 피치 각도를 통과하도록 음향-광학 Q-결정의 위치를 먼저 조정하여 연속 457nm 출력 전력이 음향-}Q 장치를 삽입하기 전의 전력과 거의 동일하도록 했습니다. 그런 다음 펄스형 457nm 레이저 출력 실험을 수행했습니다. 가장 높은 피크 전력 펄스 457 nm 레이저를 달성하기 위해 5 kHz, 10 kHz, 15 kHz 및 20 kHz의 반복률을 설정하고 펄스 457 nm 레이저의 평균 출력 전력 및 펄스 폭을 측정했습니다. 결과에 따르면 펄스형 457nm 레이저 성능은 5kHz 및 20kHz의 반복률에서 열악한 것으로 나타났습니다. 그 이유는 이 레이저의 경우 지나치게 높거나 낮은 반복률은 상위 에너지 레벨의 반전된 모집단을 진동 광 출력으로 효과적으로 변환하는 데 도움이 되지 않기 때문입니다.
그림 5.15 및 5.16은 10kHz 및 15kHz의 반복률에서 주입된 펌프 전력에 대한 457nm 출력의 평균 전력 및 펄스 폭을 보여줍니다. 그림 5.15 및 5.16에서 볼 수 있듯이 평균 전력은 주입된 펌프 전력에 따라 증가하는 반면 펄스 폭은 점차 감소합니다. 10kHz 반복률 및 41W 주입된 펌프 전력에서 펄스 457nm 레이저 출력의 최대 평균 전력은 600mW이고 펄스 폭은 50ns이며 이는 1.2kW의 피크 전력에 해당합니다. 15kHz 반복률 및 41W 주입 펌프 전력에서 최대 평균 전력은 661mW이고 펄스 폭은 62ns이며 피크 전력은 710W에 해당합니다.
결과는 10kHz의 반복률이 펄스형 457nm 레이저에 대해 가장 높은 피크 전력을 생성함을 나타냅니다. 그림 5.17은 10kHz의 반복률과 600mW의 최대 평균 출력에서 457nm 레이저의 스폿 프로파일과 빔 품질을 보여줍니다. 레이저 스폿은 TEM₀₀ 모드입니다. 그러나 점은 V- 모양의 캐비티 접이식 거울의 각도 분리로 인한 난시로 인해 약간 타원형입니다. 서로 다른 위치의 빔 반경 데이터에 대해 2차 피팅을 수행하면 X 및 Y 방향의 M2M^2M2 요소는 각각 약 1.15 및 1.31입니다.-빔 특성은 다음에서도 자세히 조사됩니다.원적외선 222nm유사한 공동-유발 왜곡을 위한 펄스 시스템.
그림 5.15 457nm 펄스 레이저의 평균 전력 및 펄스 폭과 10kHz 반복률에서 주입된 펌프 전력 비교
(왼쪽 세로 축: 457 nm 평균 전력/mW; 오른쪽 세로 축: 펄스 폭/ns; 가로 축: 주입된 펌프 전력/W; 두 개의 곡선: 평균 전력(상승) 및 펄스 폭(하강)).
