レーザー技術

高ピーク266nm UVレーザー

紫外線レーザーは、その高い単一光子エネルギーと小さな回折効果により、蛍光検出、微細加工、リソグラフィーで広く使用されています。現在、産業および科学研究の分野では、紫外線レーザーを得る方法は主に気体紫外線レーザーと固体に分けられます。 レーザーには2つのタイプがあります。 ガス紫外線レーザーには、エキシマレーザー、水素イオンレーザー、窒素分子レーザーが含まれますが、ガスレーザーは、サイズが大きく、寿命が短く、長期メンテナンスのため、レーザーダイオード(LD)で励起される固体紫外線レーザーに置き換えられています。 全固体UVレーザーを取得する最も簡単な方法は、エルビウムをドープした固体レーザーの近赤外波でキャビティ内またはキャビティ外の周波数変換を実行して、3次または4次高調波を生成することです。 高出力エンドポンプUVレーザーは、レーザー結晶としてNd:YVO4を使用します。これは、繰り返し周波数は高くなりますが、ピーク出力は低くなります。 より高いピーク出力を得るために、本論文では、LDエンドポンプNd:YAG音響光学Qスイッチ高ピーク出力UV 266 nmレーザーについて報告します。

1台の実験装置
実験のセットアップを図1に示します。LDはLIMOの最大出力30W、中心波長は808.7nm、スペクトル幅は2nm、水平偏光、偏光比は30:1、ファイバー結合出力、ファイバーコア径400μm、開口数です。 NA 0.22; 1:1.5の画像結合システム; Nd:YAGサイズ3 mm×3 mm×7 mm、ドーピング濃度0.7%、左808nm高透過性、1064 nm高反射​​膜、右端めっき1064nm銅箔ヒートシンクにインジウム箔で包まれた反射防止コーティング、NEOS製の音と光のQスイッチ、超音波周波数40MHz、シャットダウン電力10W; M 1は赤外線出力ミラー、左側は1064nm部分透過フィルム(透過型)率T = 30%)、右端に1064 nmの反射防止コーティングが施されています。

一般的に使用される1064 nmダブリングクリスタルは、KTP、LBO、BBOなどです。 KTP結晶は優れた性能、高効率、小さな偏差を持っているため、1064 nmの2次高調波生成実験で広く使用されており、優れた実験室指標を達成しています。しかし、K TPは、特にレーザーの出力が比較的高い場合に、高出力でいわゆる「グレートレース」現象を引き起こします。結晶が形成されると、レーザーの安定性と効率に深刻な影響が及びます。 KTPは、高出力レーザーの非線形結晶としてほとんど使用されません。 BBO結晶は高い有効非線形係数を持ちますが、オフ角が大きく、ビーム品質に重大な影響を与え、BBO潮解性は深刻であり、実際にはほとんど使用されません。要約すると、LBOクリスタルを2倍周波数クリスタルとして使用します。 LBO結晶の実効非線形係数は小さいですが、LBOは分離角が小さく許容角が大きいため、長い結晶を使用して効率を向上させることができます。 LBO両面1064 nmおよび532 nmの2色ARコーティング、切断角度θ= 90°、銅製ヒートシンクに配置、TEC(熱電冷却器)により正確に温度制御。

現在、4倍周波数水晶は、BBOやCLBOを含む少数のアプリケーションで利用できます。 CLBOは優れた性能を発揮しますが、潮解性は深刻であり、現在中国で製品を提供することはできません。BBO水晶は優れた4倍周波数水晶であり、その有効な非線形係数は大きく、市場は非常に成熟した製品を購入できます。実験では、4倍周波数水晶としてBBO水晶を使用し、BBO水晶の両側に1064、532、および266 nmの反射防止コーティングを施し、切断角度はθ= 44.7°でした。

Nd:YAGはQスイッチング後に非常に高いピーク電力を達成できるため、追加のフォーカスシステムは使用されず、システム全体が非常にコンパクトになり、フォーカスの分散効果がなくなります。実験により、フォーカスシステムがなくても非常に高いことが示されています。光から光への変換率。キャビティ長を70 mmにすると、図2に示すように、Nd:YAG結晶上のレーザースポットと熱レンズの焦点距離の関係が計算されます。安定キャビティ法を使用すると、Nd:YAGの熱レンズ焦点距離は、25 Wのポンプ出力で150 mmです。図2から、キャビティは安定した範囲にあり、結晶上のレーザースポット半径は約230μmであり、ポンプスポット半径の比率は0.77であり、これは高出力ポンピングでのモードマッチング要件を満たしていることがわかります。

2実験結果と分析
実験結果は、1 064 nmの出力パワーと注入パワーの関係が図3に示されていることを示しています。ポンプ出力が25 Wの場合、連続出力の最大出力は8.1 W、変調周波数が10 kHzでブリュースタープレート(BP)がキャビティに挿入されていない場合、最大出力は6.2 Wです。 BP後の出力電力は5.2 Wです。 1 064 nm赤外レーザーの偏光比を調べます:ポンプ光源が40:1 LDの場合、1 064 nmレーザーの出力偏光比は38:1です;ポンプ光源が5:1 LDの場合、出力は1 064です。 nmレーザー偏光比は5:1です。出力レーザーの偏光比は、ポンプ光源の偏光比とほぼ同じであり、偏光方向は同じであることがわかります。これは、非線形周波数変換プロセスにとって非常に重要です。偏光比が5:1のLDをポンプソースとして使用する場合、キャビティにBPを追加した後の出力レーザーの偏光比は約100:1です。

高偏光比LDポンピング、低偏光比LDポンピング、低偏光比LDポンピングチャンバー+キャビティ外周波数2倍化実験用のBPチップ、変調周波数10 kHzで得られる緑色光出力ポンプ出力の関係を図4に示します。同じポンプパワーで、高偏光比のLDは低偏光比のLD出力のグリーンパワーよりもほぼ25%高くなります。低偏光比のLDポンプの場合、挿入されたBPチップの倍増効率も大きくなります。改善:25 Wの高偏光比LDポンプパワーと10 kHzの変調周波数を使用した場合、最高の緑色光出力パワーは2.2 W、パルス幅は7 ns、ピークパワーは31.4 kWです。さらに4つの周波数の実験で、3つの構造の出力とポンプ出力の関係を図5に示します。変調周波数が10 kHzの場合、偏光比40:1のLDアレイがポンプソースとして使用され、最高出力の266 nmのレーザー出力は0.25 Wです。低偏光比LDアレイは、BPシートとBPピースを追加しない場合のUV出力は、それぞれ0.71 Wと0.62 Wです。

図6は、UVレーザー出力が0.85 Wの場合のスポット写真とパルス波形を示しています。266nmのスポットは楕円形であり、BBOの分離効果が原因であることがわかります。レーザーのパルス幅は5 ns、ピーク出力は最大17 kWです。図7は、25 Wのポンプ電力で3つの異なる構成で得られた出力電力と繰り返し周波数の関係を示しています。高偏光LDおよび変調周波数8 kHzで励起した場合、出力UV電力は0.7 Wで、ピークは17.5 kWです。

3結論
コンパクトなフラットキャビティ構造を使用して、高偏光比LDアレイ(40:1)、低偏光比LDアレイ(5:1)、および低偏光LDアレイキャビティを使用して実験を行い、266 nmの出力を得ました。電力は0.85、0.61、0.72 Wです。中でも、高偏光比のLDアレイは、最高出力、単一パルスエネルギー85μJ、パルス幅5 ns、最大出力17.5 kW、ポンプ光から紫外線への光から光への変換率3.4%です。実験では、LDの偏光が基本波の偏光比に大きな影響を与えることが示されています。たとえば、高い偏光比のLDアレイがポンプ光源として使用され、偏光素子がキャビティに追加されていない場合、基本波の偏光は非常に高くなります。レーザーの偏光方向はLDの偏光方向と同じであり、文献でも同様の結果が得られています。この等方性N d:YAGが偏光の励起下で偏光する現象はよく説明されておらず、これはNd:YAGの熱誘起複屈折効果と音響光学Qスイッチの回折に関係していると考えられます。役割に関連して、この現象はさらに議論する必要があります。

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