Experimentos com laser de estado sólido-ultravioleta de 222 nm
Saída de laser contínua de 5.2.1 457 nm
Sabe-se que o tamanho do ponto da bomba e o comprimento da cavidade afetam a saída do laser. Para obter saída de laser contínua de 457 nm de alto{1}}desempenho, experimentos foram conduzidos sob diferentes tamanhos de pontos de bomba e comprimentos de braço ressonador de laser L1L_1L1, L2L_2L2. A Figura 5.7 mostra a relação entre a potência da bomba injetada e a potência de saída contínua do laser de 457 nm quando os comprimentos do braço ressonador L1L_1L1 e L2L_2L2 são 82 mm e 30 mm, respectivamente, com raios de ponto da bomba wpw_pwp de aproximadamente 200 μm, 300 μm e 400 μm.
Figura 5.7 Relação entre a potência de saída do laser contínuo de 457 nm e a potência da bomba injetada sob diferentes tamanhos de pontos de bomba
(curvas: wpw_pwp=200 μm (quadrados), wpw_pwp=300 μm (círculos), wpw_pwp=400 μm (triângulos); eixo vertical: potência de saída / W; eixo horizontal: potência da bomba injetada / W; faixa 10–45).
Na Figura 5.7, com uma potência de bomba injetada de 41 W, as potências máximas de saída contínua do laser de 457 nm são 1,6 W (wpw_pwp=300 μm), 2,2 W (wpw_pwp=200 μm) e 1,2 W (wpw_pwp=400 μm). A qualidade do feixe em wpw_pwp=200 μm é melhor do que em wpw_pwp=300 μm ou 400 μm. Comparado com wpw_pwp=300 μm ou 400 μm, o desempenho da saída do laser de 457 nm é superior em wpw_pwp=200 μm. A razão é que a proporção entre o tamanho do ponto da bomba e a cintura do feixe oscilante de 914 nm é mais apropriada em wpw_pwp=200 μm. Estes resultados experimentais são consistentes com a análise teórica do laser nos capítulos anteriores, que também informa estratégias de otimização para problemas relacionados.UVC distante de 222 nmsistemas.
Em seguida, os comprimentos dos braços ressonadores foram otimizados. Primeiro, o comprimento do braço L2L_2L2 foi fixado em 30 mm, e o efeito da variação do comprimento do braço L1L_1L1 na potência de saída contínua do laser de 457 nm foi estudado experimentalmente. As relações entre a potência da bomba injetada e a potência de saída contínua do laser de 457 nm em L1L_1L1=82 mm, 83 mm e 84 mm são mostradas na Figura 5.8 (a). Como visto na Figura 5.8(a), as curvas de potência de saída são bastante semelhantes, independentemente de L1L_1L1 ser 82 mm, 83 mm ou 84 mm. Portanto, pequenas alterações no braço longo L1L_1L1 têm impacto insignificante na potência de saída contínua do laser de 457 nm. A razão é que variações em L1L_1L1 causam alterações mínimas no tamanho do ponto oscilante em diferentes posições dentro do ressonador laser. Para garantir espaço de ajuste suficiente dentro da cavidade para experimentos subsequentes-incluindo possível integração comUVC 222estágios de conversão de frequência-L1L_1L1 foi definido para 83 mm.
Figura 5.8 Relação entre a potência de saída do laser contínuo de 457 nm e a potência da bomba injetada sob diferentes comprimentos de braço:
(a) Braço L1L_1L1: L1L_1L1=82 mm (quadrados), L1L_1L1=83 mm (círculos), L1L_1L1=84 mm (triângulos); (b) Braço L2L_2L2: L2L_2L2=32 mm (triângulos), L2L_2L2=31 mm (quadrados), L2L_2L2=30 mm (círculos); eixo vertical: potência de saída/W; eixo horizontal: potência da bomba injetada / W.
Então, com wpw_pwp ≈ 200 μm e o braço ressonador L1L_1L1 fixado, os efeitos da variação do braço ressonador L2L_2L2 na potência de saída contínua do laser de 457 nm e na qualidade do feixe foram investigados experimentalmente. As relações entre a potência da bomba injetada e a potência de saída contínua do laser de 457 nm em L2L_2L2=30 mm, 31 mm e 32 mm são mostradas na Figura 5.8 (b). Na Figura 5.8 (b), com uma potência de bomba injetada de 41 W, as potências máximas de saída do laser contínuo de 457 nm são 2,2 W (L2L_2L2=30 mm), 2,6 W (L2L_2L2=31 mm) e 1,95 W (L2L_2L2=32 mm). Além disso, a qualidade do feixe em L2L_2L2=31 mm é melhor do que em L2L_2L2=30 mm ou 32 mm, com o perfil e a qualidade do feixe mostrados na Figura 5.9. Além disso, a Figura 5.8 (b) indica que a potência de saída contínua do laser de 457 nm é relativamente sensível a mudanças em L2L_2L2. A razão é que variações em L2L_2L2 afetam significativamente o tamanho do ponto oscilante em diferentes posições no ressonador, alterando a correspondência do modo espacial entre o ponto da bomba e o ponto de oscilação do laser, influenciando assim o desempenho da saída do laser. Isto é consistente com a análise teórica dos capítulos anteriores. Portanto, durante os experimentos, o tamanho do ponto da bomba e o comprimento do braço ressonador L2L_2L2 devem ser cuidadosamente ajustados para manter a sobreposição de modo ideal, um princípio igualmente crítico emUV distante 222 nmprojetos a laser.
Figura 5.9 Qualidade do feixe e perfil do ponto com potência de saída de laser contínua máxima de 457 nm
(veja a figura colorida) (as curvas mostram o diâmetro do ponto versus distância de propagação; x-M2M^2M horizontal2=1.2, y-M2M^2M vertical2=1.13; imagem do ponto inserida no meio).
Saída de laser contínua de 5.2.2 222 nm
Um cristal de duplicação de frequência BBO compatível-de fase Tipo-I-foi usado para duplicação de frequência extracavitária do laser contínuo de 457 nm. A seção de duplicação extracavitária empregou um esquema simples de focagem de lente. Para melhorar a eficiência de duplicação de frequência-do laser de 457 nm, a condição de foco ideal definida por Boyd e Kleinman foi aplicada⁽¹⁾: 2ZrL=2.842Z_r L=2.842ZrL=2.84 (5.10), onde LLL é o comprimento do cristal não linear e ZrZ_rZr é o comprimento de Rayleigh do feixe focado. Com base nesta condição e na qualidade do feixe de saída de 457 nm, foram selecionadas uma distância focal apropriada para a lente de foco M3, comprimento do cristal BBO e suas posições de posicionamento. Neste experimento, a distância focal da lente M3 foi de 150 mm e o comprimento do cristal BBO foi de 8 mm. O laser contínuo de 457 nm foi focado pela lente M3 e passou pelo cristal BBO para gerar luz laser de 222 nm. O espectro do laser foi medido usando um espectrômetro Ocean HR4000CG-UV-NIR, com resultados mostrados na Figura 5.10. O espectro mostra linhas em 457 nm, 222 nm e a luz da bomba em 808 nm. Após passar por um prisma dicróico, os pontos de laser de 457 nm e 222 nm excitados em papel branco são mostrados na Figura 5.11.
Um laser contínuo de 2,6 W e 457 nm, depois de passar pelo cristal BBO, produziu 6 mW de laser ultravioleta profundo de 222 nm-comparável em potencial germicida aos emergentesUVC distante de 222 nmfontes, mas em um comprimento de onda distinto. A relação entre a potência de saída do laser de 222 nm e a potência injetada de 457 nm é mostrada na Figura 5.12. A Figura 5.13 mostra o perfil do ponto de laser de 222 nm medido usando um perfilador de feixe de fenda de varredura THORLABS BP209-VIS na saída máxima; o ponto é elíptico devido ao grande ângulo de saída da luz duplicada de 222 nm após a duplicação da frequência do laser de 457 nm no cristal BBO. A Figura 5.14 mostra o teste de estabilidade da potência de saída do laser de 222 nm a 6 mW durante 2 horas, produzindo uma estabilidade de 2,2%.
Figura 5.10 Espectro laser
(eixo horizontal: comprimento de onda/nm; eixo vertical: intensidade/contagens; mostrando linhas de 222 nm, 457 nm e 808 nm).
Figura 5.11 Efeitos de pontos de laser excitados em papel branco
(rotulado: prisma dicróico, ponto de 457 nm, ponto de 222 nm).
Figura 5.12 Relação entre a potência de saída do laser contínuo de 222 nm e a potência do laser injetado de 457 nm
(eixo vertical: potência de saída de 222 nm/mW; eixo horizontal: potência injetada de 457 nm/W; curva mostra tendência ascendente).
Figura 5.13 222 nm perfil de ponto de laser contínuo na potência de saída máxima
Figura 5.14 Teste de estabilidade do laser contínuo de 222 nm na potência máxima de saída
(eixo vertical: potência média 222 nm/mW; eixo horizontal: tempo/min; curva estável em torno de 6 mW).
Saída de laser pulsado de 5.2.3 457 nm
Para melhorar a eficiência da duplicação da frequência extracavitária do laser de 457 nm para produzir laser de 222 nm-potencialmente extensível aUV 222nmfontes pulsadas com óptica não linear modificada-um interruptor Q acústico-óptico-foi inserido no braço L1L_1L1 com base na saída de laser contínua de 457 nm acima. Antes de ativar a chave Q-, a posição do cristal acústico-óptico Q-foi primeiro ajustada para garantir que a luz oscilante passasse por sua posição de difração e ângulo de inclinação ideais, de modo que a potência de saída contínua de 457 nm fosse quase igual àquela antes de inserir o dispositivo acústico-óptico Q. Experimentos de saída de laser pulsado de 457 nm foram então conduzidos. Para atingir o laser pulsado de 457 nm de maior potência de pico, foram definidas taxas de repetição de 5 kHz, 10 kHz, 15 kHz e 20 kHz, e a potência média de saída e a largura de pulso do laser pulsado de 457 nm foram medidas. Os resultados mostraram que o desempenho do laser pulsado de 457 nm foi ruim em taxas de repetição de 5 kHz e 20 kHz. A razão é que, para este laser, taxas de repetição excessivamente altas ou baixas não conduzem à conversão eficaz da população invertida no nível de energia superior em saída de luz oscilante.
As Figuras 5.15 e 5.16 mostram a potência média e a largura de pulso da saída de 457 nm versus a potência da bomba injetada em taxas de repetição de 10 kHz e 15 kHz. Conforme visto nas Figuras 5.15 e 5.16, a potência média aumenta com a potência da bomba injetada, enquanto a largura do pulso diminui gradualmente: com taxa de repetição de 10 kHz e potência da bomba injetada de 41 W, a potência média máxima da saída do laser pulsado de 457 nm é de 600 mW, com largura de pulso de 50 ns, correspondendo a uma potência de pico de 1,2 kW; com taxa de repetição de 15 kHz e potência de bomba injetada de 41 W, a potência média máxima é de 661 mW, com largura de pulso de 62 ns, correspondendo a uma potência de pico de 710 W.
Os resultados indicam que uma taxa de repetição de 10 kHz produz a maior potência de pico para o laser pulsado de 457 nm. A Figura 5.17 mostra o perfil do ponto e a qualidade do feixe do laser de 457 nm a uma taxa de repetição de 10 kHz e potência média máxima de saída de 600 mW. O ponto laser está no modo TEM₀₀; no entanto, a mancha é ligeiramente elíptica devido ao astigmatismo causado pela separação angular do espelho dobrável da cavidade em forma de V-. Ao realizar o ajuste quadrático nos dados do raio do feixe em diferentes posições, os fatores M2M^2M2 nas direções X e Y são aproximadamente 1,15 e 1,31, respectivamente-características do feixe que também seriam examinadas emUV distante 222 nmsistemas pulsados para distorções-induzidas por cavidades semelhantes.
Figura 5.15 Potência média e largura de pulso do laser pulsado de 457 nm versus potência da bomba injetada a uma taxa de repetição de 10 kHz
(eixo vertical esquerdo: potência média de 457 nm/mW; eixo vertical direito: largura de pulso/ns; eixo horizontal: potência da bomba injetada/W; duas curvas: potência média (ascendente) e largura de pulso (queda)).
