Etude des caractéristiques thermiques du laser ultraviolet profond 266 nm généré par le cristal BBO - 01

Introduction

Les lasers ultraviolets profonds (DUV) à semi-conducteurs de haute puissance ont de nombreuses applications importantes dans la recherche scientifique, le diagnostic médical et la fabrication industrielle, telles que la spectroscopie Raman, la photobioimagerie, la gravure de circuits intégrés et le micro-usinage de précision, en raison de leur structure compacte, une énergie monophotonique élevée et une bonne stabilité à long terme. À l'heure actuelle, le laser ultraviolet profond de 266 nm entièrement solide est relativement mature, car il peut être directement généré par le processus de quadruplement de fréquence du laser.sd-laser solide dopé de 1064 nm, c'est-à-dire lesd-Le laser solide dopé de 1064 nm est d'abord converti en lumière verte de deuxième harmonique de 532 nm à l'aide de cristaux tels que le triborate de lithium (LBO, www.wisoptic.com) ou du phosphate de titane et de potassium (KTP, www.wisoptic.com), puis le laser généré à 532 nm est converti en quatrième laser harmonique à ultraviolet profond de 266 nm à travers des cristaux tels que le borate de césium et de lithium (CLBO, www.wisoptic.com), le métaborate de baryum (BBO, www.wisoptic.com), le fluoroborate de potassium et le béryllium (KBBF) et le fluoroborate de rubidium et le béryllium (RBBF). Parmi ces cristaux non linéaires capables de générer une sortie laser ultraviolette profonde, bien que les cristaux KBBF et RBBF puissent générer des lasers ultraviolets profonds aussi courts que 150 nm, ils n'ont pas encore été véritablement appliqués commercialement en raison de leur difficulté de croissance et de leur coût élevé. Les cristaux les plus utilisés sont le CLBO et le BBO.

En 2000, Kojima et al. de l'Université d'Osaka au Japon a utilisé un laser vert Nd:YAG avec une fréquence de répétition de 10 kHz, une largeur d'impulsion de 80 ns et une puissance moyenne de 106 W pour obtenir une sortie laser de 20 W à 266 nm grâce au quadruplement du cristal CLBO ; et en 2003, la puissance de sortie du laser ultraviolet profond a été augmentée à 40 W en améliorant la cristallinité du cristal CLBO et en augmentant la puissance de la lumière verte ; en 2024, Yu Hanghang et al. utilisé un laser nanoseconde de 532 nm avec une fréquence de répétition de 100 kHz et une puissance moyenne de 35 W comme lumière de fréquence fondamentale, atteignant la puissance la plus élevée de 200 W. La sortie du laser à 266 nm est de 14 W et l'efficacité de conversion de 532 Le laser nm à 266 nm peut atteindre 41 %, ce qui représente l'efficacité de conversion la plus élevée du laser ultraviolet profond de 266 nm produit.dansLa Chine utilise jusqu'à présent le cristal CLBO. Cependant, le cristal CLBO a tendance à se déliquer dans l’air. Pour résoudre ce problème, en 2022, Orii et al. de Spectronix Company of Japan a placé le cristal CLBO dans une chambre à air scellée et sèche à haute température pour le quadrupler, produisant un laser ultraviolet profond de 266 nm avec une puissance moyenne de 35,5 W, une fréquence de répétition de 600 kHz et une largeur d'impulsion de 8 ps , et il a fonctionné de manière stable pendant 10 000 h à une puissance de 20 W. Par rapport aux cristaux CLBO, les cristaux BBO présentent les avantages d'un coefficient non linéaire élevé, moins de déliquescence et des propriétés chimiques stables. Ils conviennent également à la recherche et au développement de lasers ultraviolets profonds entièrement solides.

Ces dernières années, des lasers à semi-conducteurs de 266 nm à haute puissance de crête avec des largeurs d'impulsion allant de la nanoseconde à la femtoseconde ont été obtenus à l'aide de cristaux BBO. En 2008, Liu et al. de l'Université Tsinghua a utilisé un amplificateur de puissance à oscillateur maître Nd:YVO₄laser comme source de lumière infrarouge à fréquence fondamentale et a utilisé des cristaux BBO pour obtenir une sortie laser ultraviolette profonde de 14,8 W haute puissance à 266 nm avec une fréquence de répétition de 100 kHz et une largeur d'impulsion de 10 ns via un processus à quadruple fréquence. L'efficacité de conversion de la lumière verte en ultraviolet était de 18,3 % ; en 2019, Rao et al. a également utilisé des cristaux BBO pour doubler la lumière verte avec une fréquence de répétition de 78 MHz, une largeur d'impulsion de 190 fs et une puissance moyenne de 2,4 W, et a réussi à obtenir 0,6 W d'un laser ultraviolet profond de 266 nm. Cependant, les schémas utilisant BBO comme cristaux à quadruple fréquencene pouvait généralement queobtenirfaibleefficacité de conversion du laser ultraviolet profond, en particulier dans le processus de génération de laser ultraviolet profond de haute puissance de 266 nm, le phénomène de saturation de puissance est particulièrement grave. En effet, le cristal BBO présente une importante absorption à deux photons lorsqu'il est irradié avec une forte lumière ultraviolette de puissance maximale élevée, et un grand nombre de défauts de centre de couleur se formeront dans le cristal, aggravant encore l'absorption non linéaire de la lumière ultraviolette par le cristal BBO. . Par conséquent, la zone transmettant la lumière du cristal est chauffée localement, puis un grand gradient de température se forme à l'intérieur du cristal, ce qui fait que chaque partie du cristal ne satisfait plus simultanément à la condition d'adaptation de phase, ce qui limite finalement la augmentation de la puissance du laser ultraviolet profond de 266 nm, et a également un impact important sur la stabilité à long terme et la qualité du faisceau du laser ultraviolet profond généré. À cette fin, Yap et al. de l'Université d'Osaka au Japon a développé une technologie et une méthode pour compenser la répartition inégale de la température sur la face d'extrémité de sortie du cristal en 1998. En pulvérisant de l'azote sur la face d'extrémité de sortie du cristal pour le refroidir, le laser vert à ultraviolet l'efficacité de conversion a été augmentée de 2,3 fois. En 2011, Takahashi et al. de Mitsubishi Materials Corporation au Japon a utilisé des faisceaux elliptiques pour doubler la fréquence. En ajustant le chevauchement entre la lumière verte et la lumière ultraviolette profonde générée, l'absorption non linéaire dans le cristal BBO a été réduite, limitant ainsi directement la génération de chaleur à l'intérieur du cristal, atteignant une puissance maximale de 5 W de sortie laser ultraviolet profond et un vert- efficacité de conversion en ultraviolet de 23,8 %. Par rapport aux faisceaux circulaires, la puissance de sortie maximale du doublement de fréquence du faisceau elliptique est augmentée de 1,7 fois, mais l'efficacité de conversion du doublement de fréquence est faible lorsque la puissance d'entrée de la lumière verte est faible, et la qualité du faisceau laser ultraviolet profond est médiocre lorsqu'il fonctionne à haute température. pouvoir.

Sur cette base, cet article construit une fréquence quadruplée de lumière proche infrarouge entièrement solide de 1 064 nm pour générer un dispositif expérimental de laser ultraviolet profond de 266 nm, et étudie en profondeur l'augmentation de la température interne du cristal BBO à différentes températures d'adaptation au cours du processus de fréquence quadruplée. et son influence sur la puissance de sortie du laser ultraviolet profond de 266 nm. Les données expérimentales montrent que l'augmentation de la température d'adaptation du cristal peut effectivement ralentir l'effet thermique provoqué par l'absorption non linéaire à l'intérieur du cristal, améliorant ainsi la puissance de sortie du laser ultraviolet profond. Lorsque la température d'adaptation du cristal passe de 60 ℃ à 180 ℃, la puissance de sortie maximale du laser ultraviolet profond de 266 nm augmente également de 2,25 W à 2,56 W. Dans le même temps, en analysant le mécanisme de génération de chaleur du cristal BBO pendant le quadruplement processus de fréquence, sur la base de la construction d'un modèle théorique d'absorption non linéaire pour obtenir la distribution du champ de température cristalline, le coefficient d'absorption non linéaire et la densité de centre de couleur normalisée sous différentes températures de correspondance et différentes puissances de laser ultraviolet sont ensuite calculées à l'aide de données expérimentales. Le contenu de recherche de cet article fournit une bonne référence pour obtenir une sortie laser ultraviolette profonde de 266 nm de haute puissance.