Estudo experimental sobre lâmpada ultravioleta profunda de 222 nm com laser de estado-sólido bombeado-
5.2.2 Saída de laser de lâmpada de onda-contínua de 222 nm
O laser de onda-contínua de 457 nm teve frequência-duplicada fora da cavidade usando um cristal BBO compatível com-fase Tipo-. Um esquema simples de focagem-da lente foi adotado para a duplicação da frequência extracavitária. Para maximizar a eficiência da geração de segundo harmônico (SHG) do laser de 457 nm, a condição ideal de foco definida por Boyd e Kleinman foi seguida [1]:
2Z_R L = 2.84 (5.10)
onde L é o comprimento do cristal não linear e Z_R é o comprimento Rayleigh do feixe focado. Com base nesta condição e na qualidade do feixe medido da saída de 457 nm, foram selecionadas a distância focal apropriada da lente de focagem M3, o comprimento do cristal BBO e suas posições relativas. Neste experimento, a lente de focagem M3 tinha uma distância focal de 150 mm e o comprimento do cristal BBO era de 8 mm.
O laser de onda-contínua de 457 nm foi focado pela lente M3 e passado através do cristal BBO para gerar laser ultravioleta-de profundidade de lâmpada de 222 nm. O espectro do laser foi medido usando um espectrômetro Ocean HR4000CG-UV-NIR, conforme mostrado na Figura 5.10. O espectro mostra claramente a fundamental de 457 nm, o segundo harmônico da lâmpada de 222 nm e as linhas residuais da bomba de 808 nm. Depois de passar por um divisor de feixe dicróico, os feixes separados da lâmpada de 457 nm e 222 nm produziram pontos de fluorescência visíveis em papel branco, como mostrado na Figura 5.11.
Quando a potência da onda-contínua de entrada de 457 nm era de 2,6 W, a potência de saída do laser ultravioleta-de profundidade da lâmpada de 222 nm atingiu 6 mW. A relação entre a potência de saída da lâmpada de 222 nm e a potência injetada de 457 nm é mostrada na Figura 5.12. A Figura 5.13 mostra o perfil do feixe da lâmpada laser de 222 nm na potência máxima de saída, medido com um perfilador de feixe de fenda de varredura THORLABS BP209-VIS. O feixe era elíptico devido ao grande ângulo de saída da luz do segundo harmônico de 222 nm gerada no cristal BBO. A Figura 5.14 mostra o teste de estabilidade da lâmpada laser de 222 nm durante 2 horas com potência de saída de 6 mW, produzindo uma estabilidade de potência de 2,2%.
Saída de laser pulsado de 5.2.3 457 nm
Para aumentar a eficiência de duplicação da frequência-extracavitária para gerar laser de lâmpada de 222 nm, uma chave Q-acústica-óptica foi inserida no braço L1 do ressonador, com base na onda-contínua do laser de 457 nm descrito acima. Antes de ativar a comutação Q-, a posição e o ângulo do cristal do interruptor Q-óptico-acústico foram cuidadosamente ajustados para garantir que o feixe oscilante passasse pela região de difração ideal, de modo que a potência de saída de onda-contínua de 457 nm permanecesse quase inalterada em comparação com o caso sem o interruptor Q-.
Para atingir o laser pulsado de 457 nm de maior potência de pico, a taxa de repetição foi definida para 5 kHz, 10 kHz, 15 kHz e 20 kHz, e a potência média de saída e a largura de pulso foram medidas em diferentes potências da bomba. O desempenho foi ruim em 5 kHz e 20 kHz porque, para este laser, taxas de repetição muito altas ou muito baixas são desfavoráveis para a conversão eficiente da população invertida em saída de laser.
As Figuras 5.15 e 5.16 mostram a potência média e a largura de pulso do laser pulsado de 457 nm em função da potência da bomba injetada em taxas de repetição de 10 kHz e 15 kHz, respectivamente. A potência média aumentou com a potência da bomba, enquanto a largura do pulso diminuiu:
Na taxa de repetição de 10 kHz e potência de bomba de 41 W, a potência média máxima foi de 600 mW, com largura de pulso de 50 ns, correspondendo a uma potência de pico de 1,2 kW.
Na taxa de repetição de 15 kHz e potência de bomba de 41 W, a potência média máxima foi de 661 mW, com largura de pulso de 62 ns, correspondendo a uma potência de pico de 710 W.
A maior potência de pico do laser pulsado de 457 nm foi, portanto, obtida com taxa de repetição de 10 kHz. A Figura 5.17 mostra o perfil e a qualidade do feixe em 10 kHz e potência média de 600 mW. O laser operou no modo TEM₀₀, mas o ponto era ligeiramente elíptico devido ao astigmatismo introduzido pelo espelho dobrável em ângulo na cavidade em forma de V-. Ao ajustar os dados do raio do feixe em diferentes posições com função quadrática, os fatores M² foram de aproximadamente 1,15 (horizontal) e 1,31 (vertical).
5.2.4 222 nm de profundidade da lâmpada-Saída de laser ultravioleta pulsado
Usando o laser pulsado de 457 nm otimizado (raio do ponto da bomba ≈ 200 μm, comprimentos de braço L1 ≈ 83 mm e L2 ≈ 31 mm, taxa de repetição de 10 kHz) que forneceu a maior potência de pico, a duplicação de frequência foi realizada com o mesmo cristal BBO para gerar laser pulsado com lâmpada de 222 nm.
Como a qualidade do feixe do laser pulsado de 457 nm diferia ligeiramente do caso de onda-contínua, as posições da lente de foco M3 e do cristal BBO foram ajustadas-finamente para garantir que o comprimento de Rayleigh correspondesse ao comprimento do cristal, maximizando assim a eficiência do SHG. Por fim, foi obtido um laser pulsado com lâmpada de 222 nm com potência média máxima de 35 mW e largura de pulso de 36 ns (medida diretamente no detector). O espectro do laser ultravioleta é mostrado na Figura 5.18. A potência média de saída do laser pulsado da lâmpada de 222 nm aumentou com a potência pulsada de 457 nm injetada, conforme mostrado na Figura 5.19. A Figura 5.20 mostra o ponto do feixe do laser pulsado com lâmpada de 222 nm na potência média de saída mais alta.
Legendas das figuras (traduzidas)
Figura. 5.9Qualidade do feixe e perfil de ponto do laser de onda-contínua de 457 nm na potência de saída máxima (consulte a placa colorida): rotulado como "● x-direção M²=1.2, ■ y-direção M²=1.13"; eixo x-: posição ao longo do eixo de propagação (mm); eixo y-: diâmetro do feixe (mm).
Figura. 5.10Espectro laser; eixo x-: comprimento de onda (nm); eixo y-: intensidade.
Figura. 5.11Pontos de fluorescência excitados em papel branco: rotulados como "divisor de feixe dicróico, lâmpada de 457 nm, 222 nm".
Figura. 5.12Potência de saída de onda-contínua da lâmpada de 222 nm versus potência injetada de 457 nm; eixo x-: potência injetada de 457 nm (W); eixo y-: potência de saída da lâmpada de 222 nm (mW).
Figura. 5.13Perfil de feixe de laser de onda-contínua com lâmpada de 222 nm na potência máxima (consulte a placa colorida).
Figura. 5.14Teste de estabilidade do laser de onda-contínua da lâmpada de 222 nm a 6 mW durante 2 horas; eixo x-: tempo (min); eixo y-: potência média (mW).
Figura. 5.15A uma taxa de repetição de 10 kHz, potência média do laser pulsado de 457 nm e largura de pulso versus potência da bomba; rotulado como "f=10 kHz".
Figura. 5.16A uma taxa de repetição de 15 kHz, potência média do laser pulsado de 457 nm e largura de pulso versus potência da bomba.
Figura. 5.17Perfil do feixe e qualidade do feixe de laser pulsado de 457 nm a 10 kHz e potência média de 600 mW (ver placa colorida): rotulado como "● x-direção M²=1.15, ■ y-direção M²=1.32"; eixo x-: posição ao longo do eixo de propagação (mm); eixo y-: diâmetro do feixe (mm).
Figura. 5.18Espectro de laser ultravioleta; eixo x-: comprimento de onda (nm); eixo y-: intensidade.
Figura. 5.19A 10 kHz, potência média de saída do laser pulsado com lâmpada de 222 nm vs. potência pulsada de 457 nm injetada; eixo x-: potência injetada de 457 nm (mW); eixo y-: potência de saída da lâmpada de 222 nm (mW).
Figura. 5.20Ponto de feixe de laser pulsado com lâmpada de 222 nm com potência média máxima.
