Ультрафиолетовые эксперименты с твердотельным-лазером с длиной волны 222 нм
5.2.1 457 нм, непрерывная мощность лазера
Известно, что размер пятна накачки и длина резонатора влияют на выходную мощность лазера. Для достижения высокой-мощной непрерывной мощности лазера с длиной волны 457 нм эксперименты проводились при различных размерах пятна накачки и длинах плеч лазерного резонатора L1L_1L1, L2L_2L2. На рисунке 5.7 показана зависимость между инжектируемой мощностью накачки и непрерывной выходной мощностью лазера с длиной волны 457 нм, когда длины плеч резонатора L1L_1L1 и L2L_2L2 составляют 82 мм и 30 мм соответственно, с радиусами пятна накачки wpw_pwp примерно 200 мкм, 300 мкм и 400 мкм.
Рисунок 5.7. Зависимость между выходной мощностью непрерывного лазера с длиной волны 457 нм и инжектируемой мощностью накачки при различных размерах пятна накачки.
(кривые: wpw_pwp=200 мкм (квадратики), wpw_pwp=300 мкм (круги), wpw_pwp=400 мкм (треугольники); вертикальная ось: выходная мощность/Вт; горизонтальная ось: мощность впрыскиваемой накачки/Вт; диапазон 10–45).
На рисунке 5.7 при инжектируемой мощности накачки 41 Вт максимальная выходная мощность непрерывного лазера с длиной волны 457 нм составляет 1,6 Вт (wpw_pwp=300 мкм), 2,2 Вт (wpw_pwp=200 мкм) и 1,2 Вт (wpw_pwp=400 мкм). Качество луча при wpw_pwp=200 мкм лучше, чем при wpw_pwp=300 мкм или 400 мкм. По сравнению с wpw_pwp=300 мкм или 400 мкм, выходные характеристики лазера с длиной волны 457 нм превосходят wpw_pwp=200 мкм. Причина в том, что отношение размера пятна накачки к перетяжке колеблющегося пучка 914 нм более приемлемо при wpw_pwp=200 мкм. Эти экспериментальные результаты согласуются с теоретическим анализом лазера в предыдущих главах, который также определяет стратегии оптимизации соответствующих222 нм, дальний UVCсистемы.
Далее были оптимизированы длины плеч резонатора. Сначала длина плеча L2L_2L2 была зафиксирована на уровне 30 мм, и экспериментально изучалось влияние изменения длины плеча L1L_1L1 на выходную мощность непрерывного лазера с длиной волны 457 нм. Зависимость между инжектируемой мощностью накачки и непрерывной выходной мощностью лазера с длиной волны 457 нм на длинах L1L_1L1=82 мм, 83 мм и 84 мм показана на рисунке 5.8(а). Как видно на рисунке 5.8(a), кривые выходной мощности очень похожи независимо от того, составляет ли L1L_1L1 82 мм, 83 мм или 84 мм. Следовательно, небольшие изменения в длинном плече L1L_1L1 оказывают незначительное влияние на непрерывную выходную мощность лазера с длиной волны 457 нм. Причина в том, что изменения L1L_1L1 вызывают минимальные изменения размера колеблющегося пятна в разных положениях внутри лазерного резонатора. Чтобы обеспечить достаточное пространство для регулировки внутри полости для последующих экспериментов,-включая потенциальную интеграцию сУВК 222ступени преобразования частоты-L1L_1L1 был установлен на 83 мм.
Рисунок 5.8. Зависимость между выходной мощностью непрерывного лазера с длиной волны 457 нм и инжектируемой мощностью накачки при различных длинах плеч:
(а) Кронштейн L1L_1L1: L1L_1L1=82 мм (квадраты), L1L_1L1=83 мм (круги), L1L_1L1=84 мм (треугольники); (б) Кронштейн L2L_2L2: L2L_2L2=32 мм (треугольники), L2L_2L2=31 мм (квадраты), L2L_2L2=30 мм (круги); вертикальная ось: выходная мощность/Вт; горизонтальная ось: мощность впрыскиваемого насоса / Вт.
Затем, при wpw_pwp ≈ 200 мкм и фиксированном плече резонатора L1L_1L1, было экспериментально исследовано влияние изменения плеча резонатора L2L_2L2 на выходную мощность непрерывного лазера с длиной волны 457 нм и качество луча. Зависимость между инжектируемой мощностью накачки и непрерывной выходной мощностью лазера с длиной волны 457 нм на длинах L2L_2L2=30 мм, 31 мм и 32 мм показана на рисунке 5.8(b). Из рисунка 5.8(b) при инжектируемой мощности накачки 41 Вт максимальная выходная мощность непрерывного лазера с длиной волны 457 нм составляет 2,2 Вт (L2L_2L2=30 мм), 2,6 Вт (L2L_2L2=31 мм) и 1,95 Вт (L2L_2L2=32 мм). Кроме того, качество луча при L2L_2L2=31 мм лучше, чем при L2L_2L2=30 мм или 32 мм, при этом профиль и качество луча показаны на рисунке 5.9. Кроме того, рисунок 5.8(b) показывает, что непрерывная выходная мощность лазера с длиной волны 457 нм относительно чувствительна к изменениям L2L_2L2. Причина в том, что изменения L2L_2L2 существенно влияют на размер колеблющегося пятна в разных положениях резонатора, изменяя пространственное согласование мод между пятном накачки и пятном лазерной генерации, тем самым влияя на выходные характеристики лазера. Это согласуется с теоретическим анализом, приведенным в предыдущих главах. Следовательно, во время экспериментов размер пятна накачки и длина плеча резонатора L2L_2L2 должны быть тщательно отрегулированы для поддержания оптимального перекрытия мод, принцип, столь же важный вдальний УФ 222 нмлазерные конструкции.
Рисунок 5.9 Качество луча и профиль пятна при максимальной непрерывной выходной мощности лазера 457 нм
(см. цветной рисунок) (кривые показывают зависимость диаметра пятна от расстояния распространения; x-горизонтальный M2M^2M2=1.2, y-вертикальный M2M^2M2=1.13; изображение пятна вставлено посередине).
5.2.2 222 нм, непрерывная мощность лазера
Кристалл удвоения частоты-I фазы-согласованный с BBO-был использован для внерезонаторного удвоения частоты непрерывного лазера с длиной волны 457 нм. В секции сдвоения внерезонатора использовалась простая схема фокусировки линзы. Чтобы повысить эффективность удвоения частоты -лазера с длиной волны 457 нм, было применено оптимальное условие фокусировки, определенное Бойдом и Клейнманом⁽¹⁾: 2ZrL=2.842Z_r L=2.842ZrL=2.84 (5.10), где LLL — длина нелинейного кристалла, а ZrZ_rZr — длина Рэлея сфокусированного луча. На основе этого условия и качества выходного луча 457 нм были выбраны подходящее фокусное расстояние фокусирующей линзы M3, длина кристалла BBO и положения их размещения. В этом эксперименте фокусное расстояние линзы М3 составляло 150 мм, а длина кристалла ВВО — 8 мм. Непрерывный лазер с длиной волны 457 нм фокусировался линзой M3 и проходил через кристалл BBO, генерируя лазерный свет с длиной волны 222 нм. Спектр лазера измерялся с помощью спектрометра Ocean HR4000CG-UV-NIR, результаты показаны на рисунке 5.10. В спектре присутствуют линии 457 нм, 222 нм и свет накачки 808 нм. После прохождения через дихроичную призму лазерные пятна с длиной волны 457 и 222 нм, возбуждаемые на белой бумаге, показаны на рисунке 5.11.
Непрерывный лазер мощностью 2,6 Вт с длиной волны 457 нм после прохождения через кристалл BBO произвел 6 мВт глубокого ультрафиолетового лазера с длиной волны 222 нм-, сравнимого по бактерицидному потенциалу с появляющимися222 нм, дальний UVCисточники, но на определенной длине волны. Зависимость между выходной мощностью лазера 222 нм и инжектируемой мощностью 457 нм показана на рисунке 5.12. На рис. 5.13 показан профиль лазерного пятна с длиной волны 222 нм, измеренный с помощью сканирующего профилометра щелевого луча THORLABS BP209-VIS при максимальной мощности; пятно имеет эллиптическую форму из-за большого угла ухода удвоенного света с длиной волны 222 нм после удвоения частоты лазера с длиной волны 457 нм в кристалле BBO. На рисунке 5.14 показано испытание стабильности выходной мощности лазера 222 нм при мощности 6 мВт в течение 2 часов, что дало стабильность 2,2%.
Рисунок 5.10 Спектр лазера
(горизонтальная ось: длина волны/нм; вертикальная ось: интенсивность/отсчеты; показаны линии 222 нм, 457 нм и 808 нм).
Рисунок 5.11. Эффекты лазерного пятна, возбуждаемые на белой бумаге.
(маркировка: дихроичная призма, пятно 457 нм, пятно 222 нм).
Рисунок 5.12. Зависимость между непрерывной выходной мощностью лазера с длиной волны 222 нм и инжектируемой мощностью лазера с длиной волны 457 нм.
(вертикальная ось: выходная мощность 222 нм/мВт; горизонтальная ось: инжектируемая мощность 457 нм/Вт; кривая имеет тенденцию к росту).
Рисунок 5.13 222 профиль непрерывного лазерного пятна на нм при максимальной выходной мощности
Рисунок 5.14. Тест стабильности непрерывного лазера с длиной волны 222 нм при максимальной выходной мощности.
(вертикальная ось: средняя мощность 222 нм/мВт; горизонтальная ось: время/мин; стабильная кривая около 6 мВт).
5.2.3 457 Выход импульсного лазера на нм
Чтобы повысить эффективность удвоения внерезонаторной частоты лазера с длиной волны 457 нм для создания лазера с длиной волны 222 нм, -потенциально расширяемого доУФ 222 нмимпульсные источники с модифицированной нелинейной оптикой-акусто-оптический затвор добротности-был вставлен в плечо L1L_1L1 на основе вышеуказанного непрерывного излучения лазера с длиной волны 457 нм. Прежде чем включить переключатель Q-, положение акусто-оптического Q-кристалла сначала было отрегулировано, чтобы гарантировать, что колеблющийся свет проходит через оптимальное положение дифракции и угол наклона, так что непрерывная выходная мощность 457 нм была почти равна мощности до вставки акусто{12}}оптического Q-устройства. Затем были проведены эксперименты с импульсным лазером с длиной волны 457 нм. Для достижения максимальной пиковой мощности импульсного лазера с длиной волны 457 нм были установлены частоты повторения 5 кГц, 10 кГц, 15 кГц и 20 кГц, а также измерены средняя выходная мощность и ширина импульса импульсного лазера с длиной волны 457 нм. Результаты показали, что характеристики импульсного лазера с длиной волны 457 нм были плохими при частотах повторения 5 кГц и 20 кГц. Причина в том, что для этого лазера чрезмерно высокая или низкая частота повторения не способствует эффективному преобразованию инвертированной населенности на верхнем энергетическом уровне в осциллирующий световой поток.
На рисунках 5.15 и 5.16 показаны средние мощность и ширина импульса выходного сигнала 457 нм в зависимости от инжектируемой мощности накачки при частотах повторения 10 кГц и 15 кГц. Как видно на рисунках 5.15 и 5.16, средняя мощность увеличивается с увеличением инжектируемой мощности накачки, тогда как длительность импульса постепенно уменьшается: при частоте повторения 10 кГц и инжектируемой мощности накачки 41 Вт максимальная средняя мощность импульсного лазера с длиной волны 457 нм составляет 600 мВт, при длительности импульса 50 нс, что соответствует пиковой мощности 1,2 кВт; при частоте повторения 15 кГц и инжекционной мощности накачки 41 Вт максимальная средняя мощность составляет 661 мВт, при длительности импульса 62 нс, что соответствует пиковой мощности 710 Вт.
Результаты показывают, что частота повторения 10 кГц дает самую высокую пиковую мощность для импульсного лазера с длиной волны 457 нм. На рисунке 5.17 показаны профиль пятна и качество луча лазера с длиной волны 457 нм при частоте повторения 10 кГц и максимальной средней выходной мощности 600 мВт. Лазерное пятно находится в режиме TEM₀₀; однако пятно имеет слегка эллиптическую форму из-за астигматизма, вызванного угловым разделением V-образного складного зеркала резонатора. Выполняя квадратичную аппроксимацию данных о радиусе луча в разных положениях, коэффициенты M2M^2M2 в направлениях X и Y составляют приблизительно 1,15 и 1,31 соответственно.- Характеристики луча также будут тщательно изучены вдальний УФ 222 нмимпульсные системы для аналогичных искажений, вызванных резонатором-.
Рисунок 5.15. Зависимость средней мощности и ширины импульса импульсного лазера с длиной волны 457 нм от инжектируемой мощности накачки при частоте повторения 10 кГц.
(левая вертикальная ось: средняя мощность 457 нм/мВт; правая вертикальная ось: длительность импульса/нс; горизонтальная ось: инжектируемая мощность накачки/Вт; две кривые: средняя мощность (растущая) и ширина импульса (падающая)).
