Ultraviolette 222 nm faststof-lasereksperimenter
5.2.1 457 nm kontinuerlig laseroutput
Det er kendt, at pumpens pletstørrelse og kavitetslængde påvirker laseroutput. For at opnå højtydende 457 nm kontinuerlig laseroutput blev eksperimenter udført under forskellige pumpespotstørrelser og laserresonatorarmlængder L1L_1L1, L2L_2L2. Figur 5.7 viser forholdet mellem indsprøjtet pumpeeffekt og 457 nm kontinuerlig laserudgangseffekt, når resonatorarmlængderne L1L_1L1 og L2L_2L2 er henholdsvis 82 mm og 30 mm med pumpespotradier wpw_pwp på ca. 200 μm, 300 μm og 4,0 μm
Figur 5.7 Forholdet mellem 457 nm kontinuerlig laserudgangseffekt og indsprøjtet pumpeeffekt under forskellige pumpespotstørrelser
(kurver: wpw_pwp=200 μm (kvadrater), wpw_pwp=300 μm (cirkler), wpw_pwp=400 μm (trekanter); lodret akse: udgangseffekt / W; vandret akse: indsprøjtet pumpeeffekt / W; område 10–5).
Fra figur 5.7, ved en indsprøjtet pumpeeffekt på 41 W, er de maksimale 457 nm kontinuerlige laserudgangseffekter 1,6 W (wpw_pwp=300 μm), 2,2 W (wpw_pwp=200 μm) og 1,2 W (wpw}m}m Strålekvaliteten ved wpw_pwp=200 μm er bedre end den ved wpw_pwp=300 μm eller 400 μm. Sammenlignet med wpw_pwp=300 μm eller 400 μm, er 457 nm laseroutputydelsen overlegen ved wpw_pwp=200 μm. Årsagen er, at forholdet mellem pumpespotstørrelsen og den 914 nm oscillerende stråletalje er mere passende ved wpw_pwp=200 μm. Disse eksperimentelle resultater er i overensstemmelse med den teoretiske analyse af laseren i tidligere kapitler, som også informerer om optimeringsstrategier for relaterede222 nm langt UVCsystemer.
Dernæst blev resonatorarmlængderne optimeret. Først blev armlængden L2L_2L2 fastsat til 30 mm, og effekten af at variere armlængden L1L_1L1 på den 457 nm kontinuerlige laserudgangseffekt blev eksperimentelt undersøgt. Forholdet mellem indsprøjtet pumpeeffekt og 457 nm kontinuerlig laserudgangseffekt ved L1L_1L1=82 mm, 83 mm og 84 mm er vist i figur 5.8(a). Som det ses i figur 5.8(a), er udgangseffektkurverne ret ens, uanset om L1L_1L1 er 82 mm, 83 mm eller 84 mm. Derfor har små ændringer i den lange arm L1L_1L1 ubetydelig indflydelse på den 457 nm kontinuerlige laserudgangseffekt. Årsagen er, at variationer i L1L_1L1 forårsager minimale ændringer i den oscillerende pletstørrelse ved forskellige positioner i laserresonatoren. For at sikre tilstrækkelig justeringsplads inde i hulrummet til efterfølgende eksperimenter-inklusive potentiel integration medUVC 222frekvenskonverteringstrin-L1L_1L1 blev indstillet til 83 mm.
Figur 5.8 Forholdet mellem 457 nm kontinuerlig laserudgangseffekt og indsprøjtet pumpeeffekt under forskellige armlængder:
(a) Arm L1L_1L1: L1L_1L1=82 mm (firkanter), L1L_1L1=83 mm (cirkler), L1L_1L1=84 mm (trekanter); (b) Arm L2L_2L2: L2L_2L2=32 mm (trekanter), L2L_2L2=31 mm (firkanter), L2L_2L2=30 mm (cirkler); lodret akse: udgangseffekt / W; vandret akse: indsprøjtet pumpeeffekt / W.
Derefter, med wpw_pwp ≈ 200 μm og resonatorarmen L1L_1L1 fikseret, blev virkningerne af at variere resonatorarmen L2L_2L2 på den 457 nm kontinuerlige laserudgangseffekt og strålekvalitet eksperimentelt undersøgt. Forholdet mellem indsprøjtet pumpeeffekt og 457 nm kontinuerlig laserudgangseffekt ved L2L_2L2=30 mm, 31 mm og 32 mm er vist i figur 5.8(b). Fra figur 5.8(b) ved en indsprøjtet pumpeeffekt på 41 W er de maksimale 457 nm kontinuerlige laserudgangseffekter 2,2 W (L2L_2L2=30 mm), 2,6 W (L2L_2L2=31 mm) og 1,95 W (L2L{36}}). Derudover er strålekvaliteten ved L2L_2L2=31 mm bedre end ved L2L_2L2=30 mm eller 32 mm, med stråleprofilen og kvaliteten vist i figur 5.9. Desuden viser figur 5.8(b), at 457 nm kontinuerlig laserudgangseffekt er relativt følsom over for ændringer i L2L_2L2. Årsagen er, at variationer i L2L_2L2 signifikant påvirker den oscillerende pletstørrelse ved forskellige positioner i resonatoren, og ændrer den rumlige tilstandsmatchning mellem pumpepunktet og laseroscillationspletten, og derved påvirker laseroutputydelsen. Dette er i overensstemmelse med den teoretiske analyse i tidligere kapitler. Under eksperimenter skal pumpespotstørrelsen og resonatorarmens L2L_2L2-længde derfor justeres omhyggeligt for at opretholde optimal tilstandsoverlapning, et princip lige så kritisk ilangt UV 222 nmlaser design.
Figur 5.9 Strålekvalitet og spotprofil ved maksimal 457 nm kontinuerlig laserudgangseffekt
(se farvefigur) (kurver viser pletdiameter vs. udbredelsesafstand; x-vandret M2M^2M2=1.2, y-lodret M2M^2M2=1.13; spotbillede indsat i midten).
5.2.2 222 nm kontinuerlig laseroutput
En type-I fase-matchet BBO-frekvens-fordoblingskrystal blev brugt til ekstrakavitetsfrekvensfordobling af den 457 nm kontinuerlige laser. Ekstrakavitets-doblingssektionen anvendte et simpelt linsefokuseringsskema. For at forbedre frekvensen-fordoblingseffektiviteten af 457 nm laseren blev den optimale fokuseringsbetingelse defineret af Boyd og Kleinman anvendt⁽¹⁾: 2ZrL=2.842Z_r L=2.842ZrL=2.84 (5.10), hvor LLL er den ulineære længde Z og ZrZ er den ulineære krystallængde af Rayr stråle. Baseret på denne tilstand og 457 nm udgangsstrålekvaliteten blev en passende brændvidde for fokuseringslinsen M3, BBO krystallængde og deres placeringspositioner valgt. I dette eksperiment var brændvidden af objektiv M3 150 mm, og BBO-krystallængden var 8 mm. Den 457 nm kontinuerlige laser blev fokuseret af linse M3 og passeret gennem BBO-krystallen for at generere 222 nm laserlys. Laserspektret blev målt ved hjælp af et Ocean HR4000CG-UV-NIR-spektrometer, med resultater vist i figur 5.10. Spektret viser linjer ved 457 nm, 222 nm, og pumpelyset ved 808 nm. Efter at have passeret gennem et dikroisk prisme er 457 nm og 222 nm laserpletterne exciteret på hvidt papir vist i figur 5.11.
En 2,6 W 457 nm kontinuerlig laser producerede, efter at have passeret gennem BBO-krystallen, 6 mW 222 nm dyb ultraviolet laser-, der kan sammenlignes med hensyn til bakteriedræbende potentiale med fremkommende222 nm langt UVCkilder, men med en bestemt bølgelængde. Forholdet mellem 222 nm laserudgangseffekt og 457 nm indsprøjtet effekt er vist i figur 5.12. Figur 5.13 viser 222 nm laserspot-profilen målt ved hjælp af en THORLABS BP209-VIS scanning spaltestråleprofiler ved maksimal output; stedet er elliptisk på grund af den store walk-off vinkel på det 222 nm fordoblede lys efter frekvensfordobling af 457 nm laseren i BBO krystallen. Figur 5.14 viser stabilitetstesten af 222 nm laserudgangseffekten ved 6 mW over 2 timer, hvilket giver en stabilitet på 2,2 %.
Figur 5.10 Laserspektrum
(vandret akse: bølgelængde / nm; lodret akse: intensitet / tællinger; viser 222 nm, 457 nm og 808 nm linjer).
Figur 5.11 Laserpleteffekter exciteret på hvidt papir
(mærket: dikroisk prisme, 457 nm plet, 222 nm plet).
Figur 5.12 Forholdet mellem 222 nm kontinuerlig laserudgangseffekt og injiceret 457 nm lasereffekt
(lodret akse: 222 nm udgangseffekt / mW; vandret akse: 457 nm indsprøjtet effekt / W; kurve viser en opadgående tendens).
Figur 5.13 222 nm kontinuerlig laserspot-profil ved maksimal udgangseffekt
Figur 5.14 Stabilitetstest af 222 nm kontinuerlig laser ved maksimal udgangseffekt
(lodret akse: 222 nm gennemsnitseffekt / mW; vandret akse: tid / min; kurve stabil omkring 6 mW).
5.2.3 457 nm pulserende laseroutput
For at forbedre effektiviteten af ekstrakavitetsfrekvensfordobling af 457 nm laseren for at producere 222 nm laser-, der potentielt kan udvides tilUV 222 nmpulserende kilder med modificeret ikke-lineær optik-en akusto-optisk Q-switch blev indsat i arm L1L_1L1 baseret på ovenstående kontinuerlige 457 nm laseroutput. Inden Q-kontakten blev aktiveret, blev positionen af den akusto-optiske Q-krystal først justeret for at sikre, at det oscillerende lys passerede gennem dets optimale diffraktionsposition og pitchvinkel, således at den kontinuerlige 457 nm udgangseffekt var næsten lig med den, før den akustiske Q2-enhed blev indsat.}{1} Pulserende 457 nm laserudgangseksperimenter blev derefter udført. For at opnå den højeste spidseffekt pulserede 457 nm laser blev gentagelseshastigheder på 5 kHz, 10 kHz, 15 kHz og 20 kHz indstillet, og den gennemsnitlige udgangseffekt og pulsbredde af den pulserede 457 nm laser blev målt. Resultaterne viste, at pulserende 457 nm laserydelse var dårlig ved gentagelseshastigheder på 5 kHz og 20 kHz. Årsagen er, at for denne laser er overdrevent høje eller lave gentagelseshastigheder ikke befordrende for effektivt at konvertere den inverterede population på det øvre energiniveau til oscillerende lysoutput.
Figur 5.15 og 5.16 viser den gennemsnitlige effekt og pulsbredde af 457 nm output versus indsprøjtet pumpeeffekt ved gentagelseshastigheder på 10 kHz og 15 kHz. Som det ses i figur 5.15 og 5.16, stiger den gennemsnitlige effekt med indsprøjtet pumpeeffekt, mens pulsbredden falder gradvist: ved 10 kHz gentagelseshastighed og 41 W indsprøjtet pumpeeffekt er den maksimale gennemsnitlige effekt af pulseret 457 nm laserudgangseffekt 600 mW, med en puls på 50 nm svarende til en pulsbredde 1,2 kW; ved 15 kHz gentagelseshastighed og 41 W indsprøjtet pumpeeffekt er den maksimale gennemsnitseffekt 661 mW, med en pulsbredde på 62 ns, svarende til en spidseffekt på 710 W.
Resultaterne indikerer, at en gentagelseshastighed på 10 kHz giver den højeste spidseffekt for den pulserede 457 nm laser. Figur 5.17 viser spotprofilen og strålekvaliteten af 457 nm laseren ved en gentagelseshastighed på 10 kHz og maksimal gennemsnitlig udgangseffekt på 600 mW. Laserpletten er i TEM₀₀-tilstand; stedet er dog let elliptisk på grund af astigmatisme forårsaget af vinkeladskillelsen af det V-formede hulrumsfoldningsspejl. Ved at udføre kvadratisk tilpasning på stråleradiusdataene ved forskellige positioner, er M2M^2M2-faktorerne i X- og Y-retningerne ca.langt UV 222 nmpulserede systemer til lignende kavitets-inducerede forvrængninger.
Figur 5.15 Gennemsnitlig effekt og pulsbredde af 457 nm pulseret laser versus indsprøjtet pumpeeffekt ved 10 kHz gentagelseshastighed
(venstre lodret akse: 457 nm gennemsnitseffekt / mW; højre lodret akse: pulsbredde / ns; vandret akse: indsprøjtet pumpeeffekt / W; to kurver: gennemsnitlig effekt (stigende) og pulsbredde (faldende)).
