Perspectivas de aplicação do laser de 222 nm na área de fabricação de dispositivos fotônicos 3

Perspectivas de aplicação do laser de 222 nm na área de fabricação de dispositivos fotônicos 3
Tecnologia de comutação-Q{1}}eletro-óptica

A estrutura de um laser eletro{0}óptico Q-comutado é mostrada na Figura 1.9. A comutação eletro-Q{4}}óptica emprega um modulador eletro-óptico (interruptor-Q eletroóptico-) para controlar a perda de cavidade. Quando a tensão é aplicada ao modulador eletro{9}}óptico, o efeito eletro-óptico (efeito Pockels) modula o estado de polarização da luz. Além disso, a colocação de um polarizador ou divisor de feixe polarizador na cavidade ressonante permite o controle da perda de oscilação do laser. Assim, a comutação eletro-Q{14}}óptica atinge a comutação Q-acionada por um sinal elétrico, gerando assim pulsos de laser. Para aplicações que exigem saída UV profunda-precisa, comoLuz UVC distante de 222 nm para venda, esta tecnologia garante um controle de pulso estável.

Figura 1.9Estrutura do laser eletro-Q{1}}comutado eletro-óptico (espelho, cristal de laser, polarizador, interruptor-Q{3}}eletro-óptico, espelho de saída).

O dispositivo que modula o estado de polarização da luz usando o efeito Pockels é denominado célula de Pockels. A estrutura de uma célula de Pockels é mostrada na Figura 1.10. Uma célula de Pockels onde a direção do campo elétrico é paralela à direção de oscilação do laser é chamada de dispositivo longitudinal; aquele em que o campo elétrico é perpendicular à direção de oscilação do laser é chamado de dispositivo transversal. Em um dispositivo longitudinal, o espaçamento dos eletrodos é independente do tamanho da abertura clara, e a tensão necessária também é independente da abertura, tornando-o adequado para a fabricação de células Pockels de grande-abertura. Em um dispositivo transversal, o espaçamento dos eletrodos depende do tamanho da abertura, portanto, não é adequado para células Pockels de grande-abertura, mas pode reduzir a tensão até certo ponto em aplicações de-abertura pequena.

Figura 1.10Estrutura celular de Pockels(a) Dispositivo longitudinal (material eletro{0}}óptico, sinal elétrico) (b) Dispositivo transversal (material eletro{0}}óptico, sinal elétrico)

Tecnologia de laser de estado sólido-ultravioleta profundo de 222 nm

A tensão aplicada a uma célula de Pockels que produz uma diferença de fase de π entre a luz de saída e de entrada é chamada de tensão de meia -onda (tensão λ/2), normalmente variando de centenas a milhares de volts. A tensão que produz uma diferença de fase π/2 é chamada de tensão de quarto-de onda (tensão λ/4). A aplicação dessas tensões a uma célula Pockels produz efeitos equivalentes às placas de onda correspondentes. Em um interruptor Q-eletro-óptico, inserir um divisor de feixe polarizador e aplicar uma tensão de quarto-de onda faz com que a luz passe pela célula de Pockels duas vezes em uma viagem de ida e volta, girando a direção de polarização em 90 graus. O divisor de feixe polarizador bloqueia então a propagação da luz, alterando assim a perda de cavidade. Este princípio é fundamental na geração de pulsos de potência de-pico-alto paraluz UVC distante 222 nm Amazonsistemas de desinfecção compatíveis.

Vários cristais são usados ​​para fabricar interruptores eletro-ópticos-:

Por exemplo,LiNbO₃os cristais têm pequenas variações nos coeficientes piezoelétricos e uma ampla faixa de adaptação à temperatura (-50 a 60 graus), tornando-os comumente usados ​​em aplicações militares.

KD₂PO₄ (KD*P)eKDPsão cristais comercialmente comuns. Dispositivos longitudinais normalmente são usados ​​para eliminar efeitos-de afastamento. O coeficiente piezoelétrico do KDP é-sensível à temperatura, propenso à despolarização devido à birrefringência induzida termicamente, que pode ser compensada usando um rotador de polarização e dois cristais eletro-ópticos.

LGSe cristais não lineares oferecem vantagens como resistência à deliquescência e amplas bandas de transmissão, mostrando grande potencial para fabricação de interruptores-Q{1}}eletro-ópticos emluz de 222nmfontes.

Niobato de lítio periodicamente polarizado (PPLN)cristais podem funcionar como moduladores de Bragg equivalentes. Como dispositivos de comutação Q-, eles apresentam baixa tensão (<200 V) and repetition rates up to 10 kHz, but their damage threshold needs improvement.

Atualmente, os cristais eletro{0}ópticos tradicionais estão limitados a taxas de repetição geralmente abaixo de 10 kHz devido a fatores como condutividade e coeficientes eletro-ópticos. Cristais emergentes como PPLN são imaturos e não podem sustentar operação contínua de alta-potência. No entanto,RTP, BBO, eLGSpode atingir altas taxas de repetição (da ordem de 100 kHz): o RTP tem um grande coeficiente eletro{1}óptico e um quarto-de tensão de onda de apenas 1 kV; O BBO tem um pequeno coeficiente eletro{4}óptico e um quarto-de onda de tensão de até 3 kV; LGS exibe atividade óptica significativa, complicando a fabricação.

Tabela 1.6Comparação de desempenho de vários cristais comuns para dispositivos de comutação eletro-ópticos- [99-100]

Tecnologia de comutação acústica-Q{1}}óptica

O mecanismo de comutação-óptica acústica-envolve ondas ultrassônicas que se propagam através de um meio acústico-óptico para desviar o feixe de laser, controlando assim a perda de cavidade. A estrutura de um laser Q-comutado acústico-óptico é mostrada na Figura 1.11. Em comparação com a comutação-Q{8}}eletro-óptica, ela requer apenas um modulador-óptico acústico (interruptor Q-acústico-óptico) para obter modulação de pulso, resultando em uma estrutura mais compacta, ideal para integraçãoLuz UVC de 222nmsistemas.

Figura 1.11Estrutura do laser-óptico-comutado acústico (espelho, cristal de laser, interruptor-óptico-acústico, espelho de saída).

A estrutura e o princípio de funcionamento de um modulador óptico-acústico típico são ilustrados na Figura 1.12:

O cristal é normalmentequartzo fundidoouvidro telurito, com revestimentos antirreflexo nas faces ópticas.

O transdutor eletro{0}}acústico converte um sinal elétrico-de alta frequência em ondas ultrassônicas, causando variação periódica no índice de refração do meio acústico-óptico, formando uma grade de volume equivalente.

Quando a condição de difração de Bragg é satisfeita, o laser é difratado, resultando em alta perda de cavidade e baixo valor Q-, evitando a oscilação do laser. Após a remoção do campo acústico, a perda da cavidade diminui rapidamente, formando um pulso de laser. A modulação periódica do valor Q- produz uma saída de laser pulsada.

Figura 1.12Estrutura e princípio de funcionamento de um modulador óptico-acústico típico(a) RF desligado (feixe de entrada, transdutor, absorvedor, feixe difratado) (b) RF ligada (feixe de entrada, transdutor, onda acústica, absorvedor, feixe difratado)

Na comutação-Q{1}}acústica, a perda de cavidade-de passagem única é de aproximadamente 50% e a perda-de ida e volta é de cerca de 75%. As frequências ultrassônicas atingem a ordem de 100 MHz, com o transdutor eletro{8}}acústico acionado por sinais de RF de nível de watt-. Moduladores grandes requerem potência de RF de aproximadamente 10 W e resfriamento a água. Cristais com altos coeficientes elasto{13}ópticos podem reduzir a potência de RF, mas têm limites de dano óptico mais baixos do que o quartzo fundido. Um lado do cristal normalmente é equipado com um absorvedor acústico para manter a propagação acústica das ondas-viajantes. O ângulo de deflexão do feixe na comutação-Q óptica-acústica é de aproximadamente 5 graus, e a taxa máxima de repetição do laser pode atingir o nível de MHz-adequado para alta-velocidadeLuz UVC distante de 222 nm para vendaaplicações.

Tecnologia de Q{0}switching passivo

A comutação Q-passiva usa um absorvedor saturável para controlar a perda de cavidade, com transmitância óptica variando com a intensidade do laser absorvido. A estrutura de um laser Q-comutado passivo é mostrada na Figura 1.13, exigindo apenas um cristal absorvedor saturável, tornando-o a configuração mais simples para compactosluz UVC distante 222 nm Amazonmódulos.

Os absorvedores saturáveis ​​são divididos em tipo transmissivo (a transmitância aumenta com a potência óptica) e tipo reflexivo (a refletância aumenta com a potência óptica). O processo de trabalho de um dispositivo transmissivo típico: inicialmente, a transmitância é baixa, levando a uma alta perda de cavidade; à medida que a oscilação do laser aumenta e a potência óptica aumenta, a transmitância aumenta até a saturação, reduzindo a perda de cavidade e gerando um pulso de laser; após a emissão do pulso, a potência intracavitária diminui e a transmitância também cai, completando um ciclo de Q-comutação.

Figura 1.13Laser passivo Q-comutado (espelho, cristal de laser, cristal absorvedor saturável, espelho de saída).

Absorventes saturáveis ​​comuns incluemCr⁴⁺:YAG, V³⁺:YAG, SESAM, vidro de sulfeto de chumbo baseado em-pontos-quânticos, revestimentos de grafite e nanotubos de carbono de parede-única; os dois últimos são normalmente usados ​​para bloqueio-no modo passivo.

Comparação e seleção de diferentes métodos-de Q{0}switching

Em resumo, a comutação-óptica-acústica é mais adequada para lasers de baixa- a média-potência, incluindo aqueles que produzemluz de 222nmpara desinfecção. Este livro seleciona um Q-óptico-acústico como a solução de Q{3}}switching para o sistema a laser.

Frequência não linear-Cristais duplicados

A conversão de frequência óptica não linear depende da interação entre luz e matéria, produzindo efeitos não lineares de segunda{0}}ordem, como geração de segundo harmônico (SHG), geração de soma-de frequência (SFG), geração de frequência-diferente (DFG) e retificação óptica (OR). Entre estes, SHG é a aplicação mais comum: dois fótons de comprimento de onda λ se combinam de forma não linear para produzir um fóton de comprimento de onda λ/2 - essencial para gerarLuz UVC de 222nmdos fundamentos de 444 nm.

Frequência não linear do laser ultravioleta-Duplicação de cristais

A China alcançou progressos significativos em cristais ultravioleta não lineares. Os seguintes são cristais comumente usados:

LBO (LiB₃O₅, triborato de lítio): Developed by the Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences. Transmission range: 160–2600 nm; easy to grow (>Possíveis cristais de 5 cm³); amplo ângulo de aceitação, alta homogeneidade óptica, baixo afastamento-; correspondência de fase ajustável por ângulo ou temperatura; alto limite de dano, não-deliquescente. Amplamente utilizado em lasers de potência-média-alta para SHG, THG, geração de quarto harmônico (FOHG), SFG e DFG.

BBO (-BaB₂O₄, beta-borato de bário): Desenvolvido pelo Instituto Fujian de Pesquisa sobre a Estrutura da Matéria, Academia Chinesa de Ciências. Faixa de transmissão: 190–2500 nm; alto limiar de dano, boa estabilidade de temperatura, ampla banda de correspondência de fase-, grande birrefringência, baixa dispersão; mas pequeno ângulo de aceitação, grande afastamento-, levemente deliquescente (requer proteção de revestimento). Amplamente utilizado industrialmente em lasers ultravioleta para SHG, THG, FOHG, SFG e DFG, incluindoluz de 222nmsistemas.

CBO (CsB₃O₅, triborato de césio): Desenvolvido pelo Instituto Fujian de Pesquisa sobre a Estrutura da Matéria, Academia Chinesa de Ciências. Faixa de transmissão: 170–3000 nm; alto limite de dano, grande coeficiente óptico não linear, pequeno ângulo de saída-. Aplicações potenciais em laser THG.

CLBO (CsLiB₆O₁₀, borato de césio e lítio): Desenvolvido pela Universidade de Osaka, Japão. Faixa de transmissão: 180–2750 nm; cristais grandes e de{3}}qualidade fáceis de cultivar, pequenos afastamentos-, grande ângulo de aceitação, baixa birrefringência, baixos requisitos de qualidade do feixe de bombeamento; mas altamente deliquescente (requer vedação ou armazenamento-em alta temperatura). Usado principalmente em pesquisas experimentais.

BIBO (BiB₃O₆, triborato de bismuto): Cristal biaxial monoclínico. Faixa de transmissão: 270–2600 nm; alto coeficiente não linear efetivo, alto limite de dano, baixo walk{3}}off, ampla banda de transmissão, não-deliquescente. Promissor em regiões visíveis e ultravioleta, mas difícil de cultivar.

KBBF (KBe₂BO₃F₂, borato de fluorberílio de potássio): Desenvolvido pelo Instituto Fujian de Pesquisa sobre a Estrutura da Matéria, Academia Chinesa de Ciências. Cristal não linear-UV profundo. Faixa de transmissão: 155–3700 nm; birrefringência moderada, amplo intervalo-de correspondência de fase; pode atingir o comprimento de onda UV SHG mais curto de 163,4 nm. Altamente promissor para aplicações UV/UV{8}}profundas, incluindoLuz UVC distante de 222 nm para venda, mas a tecnologia de crescimento precisa de melhorias.

KABO (K₂Al₂B₂O₇, borato de alumínio e potássio): Desenvolvido pelo Instituto Fujian de Pesquisa sobre a Estrutura da Matéria, Academia Chinesa de Ciências. Faixa de transmissão: 180–3600 nm; birrefringência 0,074, pequeno coeficiente não linear efetivo; aceitação e ângulos{4}}de saída melhores que o BBO, mas inferiores ao CLBO.

RBBF (RbBe₂BO₃F₂, borato de rubídio fluorberílio): Relatado pelo Instituto Fujian de Pesquisa sobre a Estrutura da Matéria, Academia Chinesa de Ciências. Faixa de transmissão: 160–3550 nm; supera as dificuldades de crescimento e a tendência de rachaduras do KBBF, produz cristais grandes, resistentes à deliquescência-, quimicamente estáveis; profundo-desempenho não linear de UV ligeiramente inferior ao KBBF.

Além disso, novos cristais comoYCOB, GdCOB, ReCOB, eLB4estão sob pesquisa, mas não são amplamente aplicados devido à tecnologia de crescimento e a problemas de limite de danos.

Seleção de cristais de duplicação-de frequência não linear

Para cristais não lineares uniaxiais negativos, os métodos de correspondência-de fase incluem principalmente correspondência de fase angular e correspondência de fase de temperatura:

Correspondência de fase angular: Obtido selecionando a direção de propagação da luz (combinando polarização e ângulo de corte do cristal). Dividido em Tipo I (o+o→e) e Tipo II (o+e→e). Propenso a desviar-se do feixe-; se a luz incidente for perpendicular ao eixo óptico do cristal (θ=90 grau), o afastamento-pode ser eliminado.

Correspondência de fase de temperatura: Utiliza sensibilidade à temperatura de birrefringência e dispersão do cristal para obter correspondência de fase em θ=90 grau.

Expressão de eficiência de conversão (sem walk-off, onda plana, aproximação de-sinal pequeno): 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​] onde deffd_{\\text{eff}}deff​ é o coeficiente não linear efetivo, n1,n2n_1, n_2n1​,n2​ são índices de refração da luz fundamental, n3n_3n3​ é o índice de refração da soma-da luz da frequência, LLL é o comprimento do caminho óptico no cristal, Δk\\Delta kΔk é a incompatibilidade de fase e P2/AP_2/AP2​/A é a densidade de potência da luz fundamental.

Para melhorar a eficiência de conversão, selecione cristais com alto deffd_{\\text{eff}}deff​ sob Δk=0\\Delta k=0Δk=0 (correspondência de fase), aumente adequadamente a densidade de potência da luz fundamental e estenda o comprimento do cristal-crítico para eficiênciaLuz UVC de 222nmgeração em sistemas práticos.