Исследование тепловых характеристик лазера глубокого ультрафиолета с длиной волны 266 нм, генерируемого кристаллом BBO - 01

Введение

Мощные твердотельные лазеры глубокого ультрафиолета (DUV) имеют множество важных применений в научных исследованиях, медицинской диагностике и промышленном производстве, таких как рамановская спектроскопия, фотобиологическая визуализация, травление интегральных схем и прецизионная микрообработка, благодаря их компактной структуре. высокая однофотонная энергия и хорошая долговременная стабильность. В настоящее время твердотельный лазер глубокого ультрафиолета с длиной волны 266 нм является относительно зрелым, поскольку его можно напрямую генерировать с помощью процесса четырехкратного увеличения частоты.Ндтвердотельный лазер с длиной волны 1064 нм, т.е.Нд-легированный твердотельный лазер с длиной волны 1064 нм сначала преобразуется во вторую гармонику зеленого света с длиной волны 532 нм с использованием кристаллов, таких как триборат лития (LBO, www.wisoptic.com) или титанилфосфат калия (КТП, www.wisoptic.com), а затем сгенерированный лазер с длиной волны 532 нм преобразуется в лазер глубокого ультрафиолета с длиной волны 266 нм четвертой гармоники через кристаллы, такие как борат цезия-лития (CLBO, www.wisoptic.com), метаборат бария (BBO, www.wisoptic.com), фторборат калия-бериллия (KBBF) и фторборат рубидия-бериллия (RBBF). Среди этих нелинейных кристаллов, которые могут генерировать лазеры в глубоком ультрафиолете, хотя кристаллы KBBF и RBBF могут генерировать лазеры в глубоком ультрафиолете длиной всего 150 нм, они еще не получили реального коммерческого применения из-за сложности их выращивания и высокой стоимости. Наиболее широко используемые кристаллы — CLBO и BBO.

В 2000 году Кодзима и др. из Университета Осаки в Японии использовали зеленый лазер Nd:YAG с частотой повторения 10 кГц, длительностью импульса 80 нс и средней мощностью 106 Вт для получения выходной мощности лазера 20 Вт с длиной волны 266 нм за счет учетверения кристалла CLBO; а в 2003 году выходная мощность лазера глубокого ультрафиолета была увеличена до 40 Вт за счет улучшения кристалличности кристалла CLBO и увеличения мощности зеленого света; в 2024 году Ю Ханхан и др. в качестве основной частоты света использовался наносекундный лазер с длиной волны 532 нм с частотой повторения 100 кГц и средней мощностью 35 Вт, достигнув максимальной мощности 200 Вт. Выходная мощность лазера с длиной волны 266 нм составляет 14 Вт, а эффективность преобразования 532 Вт. Лазер с длиной волны от нм до 266 нм может достигать 41%, что является самой высокой эффективностью преобразования производимого лазера глубокого ультрафиолета с длиной волны 266 нм.вКитай до сих пор использует кристалл CLBO. Однако кристалл CLBO склонен к расплыванию на воздухе. Для решения этой проблемы в 2022 году Ории и др. японской компании Spectronix поместили кристалл CLBO в высокотемпературную герметичную камеру с сухим воздухом для четверного увеличения, создав лазер глубокого ультрафиолета с длиной волны 266 нм, средней мощностью 35,5 Вт, частотой повторения 600 кГц и длительностью импульса 8 пс. , и он стабильно работал в течение 10 000 ч при мощности 20 Вт. По сравнению с кристаллами CLBO кристаллы BBO обладают преимуществами высокой нелинейный коэффициент, меньшее растекание и стабильные химические свойства. Они также подходят для исследования и разработки практических твердотельных лазеров глубокого ультрафиолета.

В последние годы с использованием кристаллов BBO были получены твердотельные лазеры высокой пиковой мощности с длиной волны 266 нм и шириной импульса от наносекунд до фемтосекунд. В 2008 году Лю и др. из Университета Цинхуа использовал усилитель мощности задающего генератора Nd:YVO.₄лазер в качестве источника света инфракрасной основной частоты и использовал кристаллы BBO для получения мощного ультрафиолетового лазера мощностью 14,8 Вт с длиной волны 266 нм, частотой повторения 100 кГц и длительностью импульса 10 нс посредством четырехчастотного процесса. Эффективность преобразования зеленого света в ультрафиолет составила 18,3%; в 2019 году Рао и др. также использовал кристаллы BBO для удвоения зеленого света с частотой повторения 78 МГц, шириной импульса 190 фс и средней мощностью 2,4 Вт и успешно получил ультрафиолетовый лазер с длиной волны 266 нм мощностью 0,6 Вт. Однако схемы, использующие BBO в качестве кристаллов четверной частоты,мог только в целомполучатьнизкийЭффективность преобразования лазера глубокого ультрафиолета, особенно в процессе генерации мощного лазера глубокого ультрафиолета с длиной волны 266 нм, явление насыщения мощности особенно серьезно. Это связано с тем, что кристалл BBO имеет серьезное двухфотонное поглощение при облучении сильным ультрафиолетовым светом высокой пиковой мощности, и в кристалле образуется большое количество дефектов центров окраски, что еще больше усугубляет нелинейное поглощение ультрафиолетового света кристаллом BBO. . Поэтому светопропускающая область кристалла локально нагревается, и тогда внутри кристалла образуется большой градиент температуры, в результате чего каждая часть кристалла одновременно перестает удовлетворять условию фазового синхронизма, что в конечном итоге ограничивает Увеличение мощности лазера глубокого ультрафиолета с длиной волны 266 нм, а также оказывает большое влияние на долговременную стабильность и качество луча генерируемого лазера глубокого ультрафиолета. С этой целью Яп и др. В 1998 году из Университета Осаки в Японии разработали технологию и метод компенсации неравномерного распределения температуры на выходном торце кристалла. Путем распыления азота на выходной торец кристалла для охлаждения удалось получить лазер зелено-ультрафиолетового диапазона. Эффективность преобразования увеличена в 2,3 раза. В 2011 году Такахаши и др. Компания Mitsubishi Materials Corporation в Японии использовала эллиптические лучи для удвоения частоты. Регулируя перекрытие между зеленым светом и генерируемым глубоким ультрафиолетовым светом, нелинейное поглощение в кристалле BBO было уменьшено, тем самым напрямую ограничивая выделение тепла внутри кристалла, достигая максимальной выходной мощности лазера глубокого ультрафиолета 5 Вт и зеленого света. эффективность преобразования в ультрафиолет 23,8%. По сравнению с круглыми лучами максимальная выходная мощность удвоения частоты эллиптического луча увеличивается в 1,7 раза, но эффективность преобразования удвоения частоты низкая, когда входная мощность зеленого света низкая, а качество лазерного луча глубокого ультрафиолета плохое при работе на высоких частотах. власть.

Основываясь на этом, в данной статье создается полностью твердотельное устройство ближнего инфракрасного диапазона с длиной волны 1064 нм с учетверенной частотой для генерации экспериментального лазерного устройства глубокого ультрафиолета с длиной волны 266 нм, а также глубоко исследуется повышение внутренней температуры кристалла BBO при различных температурах согласования в процессе четырехкратного увеличения частоты. и его влияние на выходную мощность лазера глубокого ультрафиолета с длиной волны 266 нм. Экспериментальные данные показывают, что увеличение температуры согласования кристалла может эффективно замедлить тепловой эффект, вызванный нелинейным поглощением внутри кристалла, тем самым улучшая выходную мощность лазера глубокого ультрафиолета. Когда температура согласования кристалла увеличивается с 60 ℃ до 180 ℃, максимальная выходная мощность глубокого ультрафиолетового лазера с длиной волны 266 нм также увеличивается с 2,25 Вт до 2,56 Вт. В то же время, анализируя механизм тепловыделения кристалла BBO во время четырехкратного увеличения частотный процесс на основе построения теоретической модели нелинейного поглощения для получения распределения температурного поля кристалла, коэффициента нелинейного поглощения и нормированной плотности центров окраски при различных согласованиях. температуры и различные мощности ультрафиолетового лазера дополнительно рассчитываются с использованием экспериментальных данных. Содержание исследований в этой статье является хорошим примером достижения мощного лазера в глубоком ультрафиолете с длиной волны 266 нм.