Eksperymenty z-laserem stałym w ultrafiolecie 222 nm
5.2.1 457 nm Ciągła moc lasera
Wiadomo, że wielkość plamki pompy i długość wnęki wpływają na moc lasera. Aby uzyskać-wydajną ciągłą moc lasera o wysokiej wydajności 457 nm, przeprowadzono eksperymenty przy różnych rozmiarach plamki pompy i długościach ramion rezonatora laserowego L1L_1L1, L2L_2L2. Rysunek 5.7 pokazuje zależność pomiędzy wtryskiwaną mocą pompy a ciągłą mocą wyjściową lasera o długości fali 457 nm, gdy długości ramion rezonatora L1L_1L1 i L2L_2L2 wynoszą odpowiednio 82 mm i 30 mm, a promienie plamki pompy wpw_pwp wynoszą około 200 µm, 300 µm i 400 µm.
Rysunek 5.7 Zależność pomiędzy ciągłą mocą wyjściową lasera 457 nm a wtryskiwaną mocą pompy przy różnych rozmiarach plamki pompy
(krzywe: wpw_pwp=200 μm (kwadraty), wpw_pwp=300 μm (koła), wpw_pwp=400 μm (trójkąty); oś pionowa: moc wyjściowa / W; oś pozioma: moc pompy wtryskowej / W; zakres 10–45).
Jak wynika z rysunku 5.7, przy wtryskiwanej mocy pompy wynoszącej 41 W, maksymalna ciągła moc wyjściowa lasera przy długości fali 457 nm wynosi 1,6 W (wpw_pwp=300 μm), 2,2 W (wpw_pwp=200 μm) i 1,2 W (wpw_pwp=400 μm). Jakość wiązki przy wpw_pwp=200 μm jest lepsza niż przy wpw_pwp=300 μm lub 400 μm. W porównaniu do wpw_pwp=300 μm lub 400 μm, wydajność lasera 457 nm jest lepsza przy wpw_pwp=200 μm. Powodem jest to, że stosunek wielkości plamki pompy do szerokości wiązki oscylującej 914 nm jest bardziej odpowiedni przy wpw_pwp=200 μm. Te wyniki eksperymentów są spójne z teoretyczną analizą lasera przedstawioną w poprzednich rozdziałach, która stanowi również podstawę strategii optymalizacji dla powiązanychUVC o długości 222 nmsystemy.
Następnie zoptymalizowano długości ramion rezonatora. Najpierw długość ramienia L2L_2L2 ustalono na 30 mm i eksperymentalnie zbadano wpływ zmiany długości ramienia L1L_1L1 na ciągłą moc wyjściową lasera 457 nm. Zależności pomiędzy wtryskiwaną mocą pompy a ciągłą mocą wyjściową lasera 457 nm przy L1L_1L1=82 mm, 83 mm i 84 mm pokazano na rysunku 5.8 (a). Jak widać na rysunku 5.8(a), krzywe mocy wyjściowej są dość podobne niezależnie od tego, czy L1L_1L1 wynosi 82 mm, 83 mm czy 84 mm. Dlatego niewielkie zmiany w długim ramieniu L1L_1L1 mają znikomy wpływ na ciągłą moc wyjściową lasera 457 nm. Powodem jest to, że zmiany L1L_1L1 powodują minimalne zmiany w rozmiarze plamki oscylacyjnej w różnych pozycjach rezonatora laserowego. Aby zapewnić wystarczającą przestrzeń do regulacji wewnątrz wnęki na potrzeby kolejnych eksperymentów,-w tym potencjalnej integracji zUVC222stopnie konwersji częstotliwości-L1L_1L1 ustawiono na 83 mm.
Rysunek 5.8 Zależność pomiędzy ciągłą mocą wyjściową lasera 457 nm a wtryskiwaną mocą pompy przy różnych długościach ramion:
(a) Ramię L1L_1L1: L1L_1L1=82 mm (kwadraty), L1L_1L1=83 mm (kółka), L1L_1L1=84 mm (trójkąty); (b) Ramię L2L_2L2: L2L_2L2=32 mm (trójkąty), L2L_2L2=31 mm (kwadraty), L2L_2L2=30 mm (koła); oś pionowa: moc wyjściowa / W; oś pozioma: moc pompy wtryskowej / W.
Następnie, przy wpw_pwp ≈ 200 µm i ustalonym ramieniu rezonatora L1L_1L1, zbadano eksperymentalnie wpływ zmiany ramienia rezonatora L2L_2L2 na ciągłą moc wyjściową lasera 457 nm i jakość wiązki. Zależności pomiędzy wtryskiwaną mocą pompy a ciągłą mocą wyjściową lasera 457 nm przy L2L_2L2=30 mm, 31 mm i 32 mm pokazano na rysunku 5.8 (b). Jak wynika z rysunku 5.8(b), przy wtryskiwanej mocy pompy wynoszącej 41 W, maksymalna ciągła moc wyjściowa lasera 457 nm wynosi 2,2 W (L2L_2L2=30 mm), 2,6 W (L2L_2L2=31 mm) i 1,95 W (L2L_2L2=32 mm). Dodatkowo jakość wiązki przy L2L_2L2=31 mm jest lepsza niż przy L2L_2L2=30 mm lub 32 mm, a profil i jakość wiązki pokazano na rysunku 5.9. Co więcej, rysunek 5.8(b) wskazuje, że ciągła moc wyjściowa lasera 457 nm jest stosunkowo wrażliwa na zmiany L2L_2L2. Powodem jest to, że zmiany w L2L_2L2 znacząco wpływają na wielkość plamki oscylacyjnej w różnych pozycjach rezonatora, zmieniając dopasowanie trybu przestrzennego pomiędzy plamką pompy a plamką oscylacji lasera, wpływając w ten sposób na wydajność wyjściową lasera. Jest to zgodne z analizą teoretyczną przedstawioną w poprzednich rozdziałach. Dlatego podczas eksperymentów należy dokładnie dopasować rozmiar plamki pompy i długość ramienia rezonatora L2L_2L2, aby zachować optymalne nakładanie się trybów, co jest zasadą równie krytyczną wdalekie UV 222 nmprojekty laserowe.
Rysunek 5.9 Jakość wiązki i profil plamki przy maksymalnej ciągłej mocy wyjściowej lasera 457 nm
(patrz rysunek w kolorze) (krzywe przedstawiają średnicę plamki w funkcji odległości propagacji; x-poziomo M2M^2M2=1.2, y-pionowo M2M^2M2=1.13; obraz plamki wstawiony pośrodku).
5.2.2 222 nm Ciągła moc lasera
Kryształ podwajający typu-faza I-dopasowany do częstotliwości BBO- został użyty do podwojenia częstotliwości poza wnęką lasera ciągłego 457 nm. W sekcji podwajania ekstrawnęki zastosowano prosty schemat ogniskowania soczewki. Aby poprawić skuteczność-podwajania częstotliwości lasera 457 nm, zastosowano optymalny warunek ogniskowania zdefiniowany przez Boyda i Kleinmana⁽¹⁾: 2ZrL=2.842Z_r L=2.842ZrL=2.84 (5.10), gdzie LLL to nieliniowa długość kryształu, a ZrZ_rZr to długość Rayleigha skupionej wiązki. Na podstawie tego warunku oraz jakości wiązki wyjściowej 457 nm dobrano odpowiednią ogniskową dla soczewki skupiającej M3, długość kryształu BBO oraz położenie ich umieszczenia. W tym doświadczeniu ogniskowa soczewki M3 wynosiła 150 mm, a długość kryształu BBO 8 mm. Laser ciągły o długości fali 457 nm został skupiony przez soczewkę M3 i przeszedł przez kryształ BBO w celu wygenerowania światła laserowego o długości fali 222 nm. Widmo lasera zmierzono za pomocą spektrometru Ocean HR4000CG-UV-NIR, a wyniki pokazano na rysunku 5.10. Widmo pokazuje linie przy 457 nm, 222 nm i światło pompy przy 808 nm. Po przejściu przez pryzmat dichroiczny wzbudzone na białym papierze plamki lasera o długości fali 457 nm i 222 nm pokazano na rysunku 5.11.
Laser ciągły o mocy 2,6 W i długości fali 457 nm po przejściu przez kryształ BBO wytworzył laser w głębokim ultrafiolecie o mocy 6 mW o długości fali 222 nm-porównywalny pod względem potencjału bakteriobójczego z pojawiającymi sięUVC o długości 222 nmźródeł, ale na innej długości fali. Zależność pomiędzy mocą wyjściową lasera 222 nm a mocą wstrzykniętą 457 nm pokazano na rysunku 5.12. Rysunek 5.13 przedstawia profil plamki lasera 222 nm zmierzony przy użyciu skanera profilującego wiązkę szczelinową THORLABS BP209-VIS przy maksymalnej mocy; plamka jest eliptyczna ze względu na duży kąt odejścia podwójnego światła 222 nm po podwojeniu częstotliwości lasera 457 nm w krysztale BBO. Rysunek 5.14 przedstawia test stabilności mocy wyjściowej lasera 222 nm przy 6 mW w ciągu 2 godzin, dający stabilność na poziomie 2,2%.
Rysunek 5.10 Widmo lasera
(oś pozioma: długość fali / nm; oś pionowa: intensywność / zliczenia; pokazano linie 222 nm, 457 nm i 808 nm).
Rysunek 5.11 Efekty plamki lasera wzbudzone na białym papierze
(oznaczone: pryzmat dichroiczny, plamka 457 nm, plamka 222 nm).
Rysunek 5.12 Zależność pomiędzy ciągłą mocą wyjściową lasera 222 nm a wstrzykniętą mocą lasera 457 nm
(oś pionowa: moc wyjściowa 222 nm/mW; oś pozioma: moc wtryskiwana 457 nm/W; krzywa wykazuje tendencję wzrostową).
Rysunek 5.13 222 nm ciągłego profilu plamki lasera przy maksymalnej mocy wyjściowej
Rysunek 5.14 Test stabilności lasera ciągłego 222 nm przy maksymalnej mocy wyjściowej
(oś pionowa: moc średnia 222 nm/mW; oś pozioma: czas/min; krzywa stabilna w okolicach 6 mW).
Impulsowy sygnał laserowy 5.2.3 457 nm
Aby poprawić efektywność podwajania częstotliwości pozawnękowej lasera 457 nm w celu wytworzenia lasera o długości fali 222 nm,-potencjalnie rozszerzalnego doUV 222nmźródła impulsowe ze zmodyfikowaną optyką nieliniową-akusto-optyczny przełącznik Q-wprowadzono do ramienia L1L_1L1 w oparciu o powyższą ciągłą moc lasera 457 nm. Przed włączeniem przełącznika Q-położenie-akustycznego kryształu Q- zostało najpierw dostosowane, aby zapewnić, że oscylujące światło przejdzie przez optymalną pozycję dyfrakcji i kąt nachylenia, tak aby ciągła moc wyjściowa przy długości fali 457 nm była prawie równa mocy przed włożeniem akustyczno-optycznego urządzenia Q. Następnie przeprowadzono eksperymenty z wykorzystaniem impulsowego lasera o długości fali 457 nm. Aby osiągnąć najwyższą moc szczytową lasera impulsowego 457 nm, ustawiono częstotliwości powtarzania 5 kHz, 10 kHz, 15 kHz i 20 kHz oraz zmierzono średnią moc wyjściową i szerokość impulsu lasera impulsowego 457 nm. Wyniki wykazały, że wydajność lasera impulsowego 457 nm była słaba przy częstotliwościach powtarzania 5 kHz i 20 kHz. Powodem jest to, że w przypadku tego lasera zbyt wysokie lub niskie współczynniki powtarzalności nie sprzyjają skutecznemu przekształcaniu odwróconej populacji na górnym poziomie energii w oscylujący strumień świetlny.
Rysunki 5.15 i 5.16 przedstawiają średnią moc i szerokość impulsu sygnału wyjściowego 457 nm w funkcji wtryskiwanej mocy pompy przy częstotliwości powtarzania 10 kHz i 15 kHz. Jak widać na rysunkach 5.15 i 5.16, średnia moc wzrasta wraz z wtryskiwaną mocą pompy, podczas gdy szerokość impulsu stopniowo maleje: przy częstotliwości powtarzania 10 kHz i mocy wtryskiwanej pompy 41 W, maksymalna średnia moc impulsu lasera 457 nm wynosi 600 mW, przy szerokości impulsu 50 ns, co odpowiada mocy szczytowej 1,2 kW; przy częstotliwości powtarzania 15 kHz i mocy wtryskiwanej pompy 41 W maksymalna średnia moc wynosi 661 mW, przy szerokości impulsu 62 ns, co odpowiada mocy szczytowej 710 W.
Wyniki wskazują, że częstotliwość powtarzania wynosząca 10 kHz zapewnia najwyższą moc szczytową dla lasera impulsowego 457 nm. Rysunek 5.17 przedstawia profil plamki i jakość wiązki lasera 457 nm przy częstotliwości powtarzania 10 kHz i maksymalnej średniej mocy wyjściowej 600 mW. Plamka lasera pracuje w trybie TEM₀₀; jednakże plamka jest lekko eliptyczna z powodu astygmatyzmu spowodowanego kątowym oddzieleniem składanego lustra w kształcie litery V-. Dopasowując kwadratowo dane promienia wiązki w różnych pozycjach, współczynniki M2M^2M2 w kierunkach X i Y wynoszą odpowiednio około 1,15 i 1,31-charakterystyki wiązki, co również można sprawdzić wdalekie UV 222 nmsystemy impulsowe dla podobnych zniekształceń wywołanych-wnęką.
Rysunek 5.15 Średnia moc i szerokość impulsu lasera impulsowego 457 nm w porównaniu z mocą wtryskiwanej pompy przy częstotliwości powtarzania 10 kHz
(lewa oś pionowa: moc średnia 457 nm/mW; prawa oś pionowa: szerokość impulsu/ns; oś pozioma: moc wtryskiwanej pompy/W; dwie krzywe: moc średnia (rosnąca) i szerokość impulsu (opadająca)).
