5.1 Esquema Experimental de Laser de Estado Sólido-de 222nm
5.1.1 Configuração Experimental do Sistema Laser
A configuração experimental doUVC distante 222nmO laser ultravioleta-profundo é mostrado na Figura 5.1, que adota uma estrutura de cavidade ressonante em forma de V-com geração de segundo harmônico dentro da cavidade e geração de quarto harmônico fora da cavidade. A fonte da bomba é um conjunto de diodos laser acoplados a fibra com uma potência de saída máxima de 110W. Através do ajuste de temperatura, o comprimento de onda central da luz da bomba coincide com o comprimento de onda de absorção central de Nd:YVO₄, e é focado em um ponto de bomba com um raio de 200μm através de um sistema de colimação e foco e injetado no cristal Nd:YVO₄. O sistema de acoplamento consiste em dois espelhos plano{9}}convexos com raio de curvatura R=10mm e um polarizador de 45 graus. A fração atômica da dopagem Nd³⁺ no cristal Nd:YVO₄ é de 0,1% e seu tamanho é 4 mm × 4 mm × 5 mm. A extremidade esquerda é revestida com filmes anti-reflexos de 808 nm, 1.064 nm e um filme-de alta reflexão de 914 nm, enquanto a extremidade direita é revestida com filmes anti{26}}reflexos de 914 nm, 1.064 nm e 1.342 nm. A lateral do cristal do laser é envolvida com uma camada de folha de índio e montada em um dissipador de calor de cobre vermelho, e o controle de temperatura é realizado por um resfriador de água circulante. Para garantir uma dissipação de calor suficiente do cristal, deve-se garantir que os quatro lados do cristal estejam totalmente em contato com o fluxo de água do resfriador. Um espelho plano -côncavo M com raio de curvatura de 50 mm é usado como espelho de saída. Sua superfície côncava é revestida com um filme de alta-reflexão de 914nm e filmes anti{38}}de reflexão de 457nm, 1064nm, 1342nm, e seu plano é revestido com filmes anti{43}}de reflexão de 457nm, 914nm, 1064nm e 1342nm. Um espelho plano M₂ com um raio de curvatura de 200 mm é usado como refletor, e sua superfície é revestida com filmes de reflexão de 457 nm e 914 nm de altura -, de modo que o espelho da extremidade esquerda M₁ do cristal Nd: YVO₄, espelho M e espelho M₂ formam uma cavidade ressonante em forma de V -, com o ângulo entre os dois braços ≈10 graus. Dentre eles, uma chave acústica-óptica Q-é inserida no braço longo L₁ formado pelos espelhos M₁ e M, e um cristal LBO para geração de segundo harmônico é inserido no braço curto formado pelos espelhos M e M₂, e colocado a uma distância de cerca de 1mm do refletor M₂. O cristal LBO tem um tamanho de 4 mm × 4 mm × 15 mm e ambas as extremidades do cristal são revestidas com filmes anti-reflexo de 457 nm, 914 nm e 1064 nm. O comprimento de onda de oscilação desta cavidade ressonante é 914 nm. Após a duplicação da frequência pelo cristal LBO, um comprimento de onda de 457nm é gerado, oscila no braço curto da cavidade ressonante e sai do espelho plano-côncavo M. M₃ é um espelho de focagem de 457nm, cuja superfície é revestida com um filme anti{71}}reflexo de 457nm. Um cristal BBO para geração de quarto harmônico é colocado próximo ao ponto focal. Ambas as extremidades do cristal são revestidas com filmes anti-reflexo de 457 nm e 222 nm. Após a duplicação da frequência pelo cristal BBO,longe uv 222laser ultravioleta pode ser gerado, e os lasers de 457 nm e 222 nm são separados por um prisma divisor de feixe M₄.
Figura 5.1 Configuração experimental do sistema de acoplamento óptico-laser ultravioleta 1-profundo de 222 nm; 2-Módulo de cristal Nd:YVO₄ envolto em dissipador de calor; Dispositivo Q-Switch 3-óptico-acústico; Espelho de 4 saídas M; Dispositivo de cristal 5-LBO; 6-Refletor M₂; Espelho de focagem M₃ de 7-457nm; Cristal 8-BBO; Prisma divisor de 9 feixes.
5.1.2 Métodos de Medição de Parâmetros de Laser
1. Comprimento de onda do laser
Na medição do comprimento de onda de saída do laser, é usado um espectrômetro NIR Ocean HR4000CG - UV -, que cobre uma faixa de comprimento de onda de 200 ~ 1100 nm com uma resolução de 0,75 nm (largura total na metade do máximo), e o diagrama físico é mostrado na Figura 5.2. Durante a medição, o feixe de laser é refletido ou passado através de uma folha de atenuação para a sonda do espectrômetro, e o valor do comprimento de onda doUVC distante 222nmo feixe de laser é observado através do display.
Figura 5.2 Diagrama Físico do Espectrômetro Ocean HR4000CG - UV - NIR
2. Frequência de repetição do laser
Selecione um fotodetector cuja resposta espectral corresponda ao comprimento de onda de saída do laser; selecione um fotodetector e osciloscópio apropriados de acordo com a faixa de largura de pulso de saída do laser. Utilizamos um osciloscópio modelo Tektronix TDS3054C, que possui largura de banda de 500MHz e taxa de amostragem de 5GS/s, conforme mostrado na Figura 5.3(a). O fotodetector é um detector de silício modelo THORLABS DET10A -, cuja faixa de resposta espectral é de 200~1100nm, e o tempo de subida é de 1 ns, conforme mostrado na Figura 5.3(b).
Figura 5.3 Diagramas Físicos do Osciloscópio e do Fotodetector (a) Osciloscópio (b) Fotodetector
Deixe o pulso do laser entrar no fotodetector e faça o fotodetector funcionar na faixa linear. Ajuste a sensibilidade e a velocidade de varredura do osciloscópio para que duas formas de onda de pulso de laser estáveis apareçam na tela do osciloscópio. Registre o intervalo de tempo t entre dois pulsos adjacentes e repita a medição n (n maior ou igual a 10) vezes. Calcule a frequência de repetição do pulso f de acordo com a Fórmula (5.1): f=1∑i=1ntin (Hz) f=\\frac{1}{\\frac{\\sum_{i=1}^{n} t_i}{n}} \\ (Hz) f=n∑i=1nti1 (Hz) onde: tit_iti é o intervalo de tempo entre dois pulsos adjacentes na i-ésima medição, unidade: s; n é o número de medições.
3. Largura do pulso do laser
A medição da largura do pulso pode referir-se às etapas de medição da frequência de repetição. Deixe o pulso do laser entrar no fotodetector e o fotodetector funcionará na faixa linear. A forma de onda do tempo de pulso é exibida na tela do osciloscópio. Registre a largura de pulso τi\\tau_iτi neste momento e repita a medição n (n maior ou igual a 10) vezes. Calcule a largura de pulso τ\\tauτ de acordo com a Fórmula (5.2): τ=1n∑i=1nτi (ns) \\tau=\\frac{1}{n} \\sum_{i=1}^{n} \\tau_i \\ (ns) τ=n1∑i=1nτi (ns) onde: τi\\tau_iτi é a largura de pulso medida na i-ésima medida, unidade: s; n é o número de medições.
4. Potência de pico do laser
Ao calcular a potência de pico, primeiro precisamos medir a potência média do laser. Existem dois tipos de sondas utilizadas para medição, conforme mostrado na Figura 5.4. A Figura (a) é um medidor de potência a laser OPHIR 30A - BB - 18, com faixa de medição de 10mW ~ 30W e precisão de medição de 3%. A Figura (b) é um medidor de potência de laser UV OPHIR PD300R -, com faixa de medição de 20pW ~ 300mW e precisão de medição de 10%.
Figura 5.4 Medidores de potência a laser (a) Medidor de potência a laser OPHIR 30A-BB-18 (b) Medidor de potência a laser OPHIR PD300R-UV
Durante a medição, alinhe a sonda do medidor de potência do laser com o feixe de saída do laser, ligue a potência do medidor de potência do laser, selecione uma faixa apropriada e calibre seu ponto zero. Meça e registre a leitura P do medidor de potência uma vez a cada determinado tempo de acordo com a especificação do produto e repita a medição n (n Maior ou igual a 10) vezes. Calcule a potência média Pˉ\\bar{P}Pˉ do laser de acordo com a Fórmula (5.3): Pˉ=1n∑i=1npi (W) \\bar{P}=\\frac{1}{n} \\sum_{i=1}^{n} p_i \\ (W) Pˉ=n1∑i=1npi (W) onde: pip_ipi é a potência média obtida na i-ésima medição, unidade: W; n é o número de medições.
Após obter a potência média do laser, calcule a potência de pico PpkP_{pk}Ppk de acordo com a Fórmula (5.4): Ppk=Pˉf⋅τ (W) P_{pk}=\\frac{\\bar{P}}{f \\cdot \\tau} \\ (W) Ppk=f⋅τPˉ (W) onde: Pˉ\\bar{P}Pˉ é a potência média, unidade: W; f é a frequência de repetição do pulso, unidade: Hz; τ\\tauτ é a largura do pulso, unidade: ns.
5. Qualidade do feixe
O fator de qualidade do feixe é representado por M², e sua fórmula de cálculo é M2=π4λ⋅d0⋅θ M^2=\\frac{\\pi}{4\\lambda} \\cdot d_0 \\cdot \\theta M2=4λπ⋅d0⋅θ onde: d0d_0d0 é a largura da cintura ou diâmetro da cintura, unidade: nm; θ\\thetaθ é o-ângulo de divergência do feixe de campo distante, unidade: mrad; λ\\lambdaλ é o comprimento de onda do laser, unidade: μm.
Um analisador de qualidade de feixe de fenda de varredura THORLABS BP{0}} VIS é usado para medir alonge uvc 222qualidade do feixe de laser, com uma faixa de comprimento de onda operacional de 200 ~ 1100 nm, que pode medir feixes contínuos e pulsados com uma frequência de repetição não inferior a 10 Hz. A taxa de varredura pode ser definida para 2~20 Hz, conforme mostrado na Figura 5.5. O analisador de feixe de fenda de varredura possui um tambor giratório com dois ou mais pares de fendas ortogonais em seu interior. O tambor gira em torno do eixo óptico, mudando as fendas nas direções X e Y na frente do detector, de modo que a fenda de varredura passe pelo caminho óptico. Desta forma, o sinal de potência medido está relacionado com a posição do tambor e da fenda, a partir dos quais são calculados o diâmetro do feixe d e o perfil de intensidade.
Figura 5.5 Analisador de Qualidade de Feixe
O sistema de teste de análise de qualidade do feixe é mostrado na Figura 5.6. O controlador da plataforma móvel tem uma precisão de 3 μm, que controla o comprimento do passo do analisador de qualidade do feixe a cada vez para obter o diâmetro do feixe did_idi na posição correspondente. Substitua os valores de Z em diferentes posições na direção de transmissão do feixe de laser e seus diâmetros de ponto correspondentes na Fórmula (5.6) para calcular os valores dos coeficientes A, B e C, ou seja, d2=A+B⋅Z+C⋅Z2 d^2=A + B \\cdot Z + C \\cdot Z^2 d2=A+B⋅Z+C⋅Z2
Figura 5.6 Sistema de teste de análise de qualidade de feixe
A partir dos valores dos coeficientes A, B e C, o -diâmetro da cintura lateral do objeto d0d_0d0, o ângulo de divergência do feixe θ\\thetaθ e o fator de qualidade do feixe M² podem ser calculados. As fórmulas de cálculo são d0=A−B24C d_0=\\sqrt{A - \\frac{B^2}{4C}} d0=A−4CB2 θ=C \\theta=\\sqrt{C} θ=C M2=πλA⋅C−B24 M^2=\\frac{\\pi}{\\lambda} \\sqrt{A \\cdot C - \\frac{B^2}{4}} M2=λπA⋅C−4B2
5.2 Experimento com laser de estado-sólido de 222 nm
Saída de laser contínua de 5.2.1 457nm
A potência de saída e a qualidade do feixe do laser contínuo de 457 nm são fatores-chave que afetam seu desempenho de saída de pulso e a aquisição delonge uv 222laser por duplicação da frequência extracavitária, ao contrário dos emergentesLED de 222nmtecnologias que oferecem fontes alternativas-de UVC distante. De acordo com a pesquisa teórica nos capítulos anteriores, esta configuração otimiza as condições para uma eficiênciaUVC distante 222nmgeração por meio de métodos-de estado sólido.
