Studie zu den thermischen Eigenschaften eines 266-nm-Tief-Ultraviolett-Lasers, der durch einen BBO-Kristall erzeugt wird – 01

Einführung

Hochleistungs-Festkörperlaser im tiefen Ultraviolett (DUV) haben aufgrund ihrer kompakten Struktur viele wichtige Anwendungen in der wissenschaftlichen Forschung, der medizinischen Diagnose und der industriellen Fertigung, wie z. B. Raman-Spektroskopie, Photobioimaging, Ätzen integrierter Schaltkreise und Präzisionsmikrobearbeitung. hohe Einzelphotonenenergie und gute Langzeitstabilität. Gegenwärtig ist der Festkörperlaser im tiefen Ultraviolett mit 266 nm relativ ausgereift, da er direkt durch den Frequenzvervierfachungsprozess des Lasers erzeugt werden kannNd-dotierter 1064 nm Festkörperlaser, also derNd-dotierter 1064-nm-Feststofflaser wird zunächst mithilfe von Kristallen wie Lithiumtriborat (LBO) in grünes Licht der zweiten Harmonischen von 532 nm umgewandelt, www.wisoptic.com) oder Kaliumtitanylphosphat (KTP, www.wisoptic.com), und dann wird der erzeugte 532-nm-Laser durch Kristalle wie Cäsium-Lithium-Borat (CLBO) in den 266-nm-Tief-Ultraviolett-Laser der vierten Harmonischen umgewandelt, www.wisoptic.com), Bariummetaborat (BBO, www.wisoptic.com), Kaliumfluorborat-Beryllium (KBBF) und Rubidiumfluorborat-Beryllium (RBBF). Unter diesen nichtlinearen Kristallen, die Laserleistung im tiefen Ultraviolett erzeugen können, sind KBBF- und RBBF-Kristalle zwar in der Lage, Laser im tiefen Ultraviolett mit einer Wellenlänge von nur 150 nm zu erzeugen, sie wurden jedoch aufgrund ihrer Wachstumsschwierigkeiten und hohen Kosten noch nicht wirklich kommerziell eingesetzt. Die am häufigsten verwendeten Kristalle sind CLBO und BBO.

Im Jahr 2000 stellten Kojima et al. von der Universität Osaka in Japan verwendete einen grünen Nd:YAG-Laser mit einer Wiederholfrequenz von 10 kHz, einer Impulsbreite von 80 ns und einer durchschnittlichen Leistung von 106 W, um durch die Vervierfachung des CLBO-Kristalls eine Laserleistung von 20 W und 266 nm zu erhalten; und im Jahr 2003 wurde die Ausgangsleistung des Lasers im tiefen Ultraviolett auf 40 W erhöht, indem die Kristallinität des CLBO-Kristalls verbessert und die Leistung des grünen Lichts erhöht wurde; im Jahr 2024 Yu Hanghang et al. verwendeten einen 532-nm-Nanosekundenlaser mit einer Wiederholungsfrequenz von 100 kHz und einer durchschnittlichen Leistung von 35 W als Grundfrequenzlicht und erreichten die höchste Leistung von 200 W. Die Leistung des 266-nm-Lasers beträgt 14 W und die Umwandlungseffizienz 532 Der Laser von nm bis 266 nm kann 41 % erreichen, was die höchste Umwandlungseffizienz aller produzierten 266-nm-Laser im tiefen Ultraviolett darstelltInChina verwendet bisher CLBO-Kristall. CLBO-Kristalle neigen jedoch dazu, an der Luft zu zerfließen. Um dieses Problem zu lösen, haben Orii et al. von Spectronix Company of Japan platzierte CLBO-Kristall zur Vervierfachung in einer versiegelten Hochtemperatur- und Trockenluftkammer und erzeugte einen 266-nm-Tief-Ultraviolett-Laser mit einer durchschnittlichen Leistung von 35,5 W, einer Wiederholungsfrequenz von 600 kHz und einer Impulsbreite von 8 ps und es arbeitete 10.000 Stunden lang stabil bei einer Leistung von 20 W. Im Vergleich zu CLBO-Kristallen haben BBO-Kristalle die Vorteile eines hohen nichtlinearen Koeffizienten, weniger zerfließen und stabile chemische Eigenschaften. Sie eignen sich auch für die Forschung und Entwicklung praktischer Festkörperlaser im tiefen Ultraviolett.

In den letzten Jahren wurden mithilfe von BBO-Kristallen 266-nm-Festkörperlaser mit hoher Spitzenleistung und Pulsbreiten im Nanosekunden- bis Femtosekundenbereich hergestellt. Im Jahr 2008 stellten Liu et al. von der Tsinghua-Universität verwendete einen Master-Oszillator-Leistungsverstärker Nd:YVO₄Laser als Infrarot-Grundfrequenz-Lichtquelle und verwendeten BBO-Kristalle, um durch einen Vierfachfrequenzprozess einen 14,8-W-Hochleistungslaser mit 266 nm im tiefen Ultraviolett mit einer Folgefrequenz von 100 kHz und einer Impulsbreite von 10 ns zu erhalten. Die Umwandlungseffizienz von grünem Licht in ultraviolettes Licht betrug 18,3 %; im Jahr 2019 haben Rao et al. verwendeten auch BBO-Kristalle, um das grüne Licht mit einer Wiederholungsfrequenz von 78 MHz, einer Pulsbreite von 190 fs und einer durchschnittlichen Leistung von 2,4 W zu verdoppeln, und erzielten erfolgreich einen 0,6 W tiefen Ultraviolettlaser mit 266 nm. Die Schemata verwenden jedoch BBO als Vierfachfrequenzkristallekonnte nur generellerhaltenniedrigUmwandlungseffizienz von Lasern im tiefen Ultraviolettbereich, insbesondere im Prozess der Erzeugung von Hochleistungslasern im tiefen Ultraviolettbereich mit 266 nm, ist das Phänomen der Leistungssättigung besonders schwerwiegend. Dies liegt daran, dass der BBO-Kristall bei Bestrahlung mit starkem ultraviolettem Licht mit hoher Spitzenleistung eine starke Zwei-Photonen-Absorption aufweist und sich im Kristall eine große Anzahl von Farbzentrumsdefekten bilden, was die nichtlineare Absorption von ultraviolettem Licht durch den BBO-Kristall weiter verschlimmert . Daher wird der lichtdurchlässige Bereich des Kristalls lokal erhitzt, und dann bildet sich im Inneren des Kristalls ein großer Temperaturgradient, was dazu führt, dass nicht mehr jeder Teil des Kristalls gleichzeitig die Phasenanpassungsbedingung erfüllt, was letztendlich die begrenzt Die Steigerung der Leistung des 266-nm-Tief-Ultraviolett-Lasers hat auch einen großen Einfluss auf die Langzeitstabilität und Strahlqualität des erzeugten Tief-Ultraviolett-Lasers. Zu diesem Zweck haben Yap et al. von der Universität Osaka in Japan entwickelte 1998 eine Technologie und Methode zum Ausgleich der ungleichmäßigen Temperaturverteilung auf der Ausgangsendfläche des Kristalls. Durch Aufsprühen von Stickstoff auf die Ausgangsendfläche des Kristalls zur Kühlung wird der grüne bis ultraviolette Laser erzeugt Die Umwandlungseffizienz wurde um das 2,3-fache erhöht. Im Jahr 2011 haben Takahashi et al. von Mitsubishi Materials Corporation in Japan verwendeten elliptische Strahlen zur Frequenzverdopplung. Durch Anpassen der Überlappung zwischen grünem Licht und dem erzeugten tiefen Ultraviolettlicht wurde die nichtlineare Absorption im BBO-Kristall reduziert, wodurch die Wärmeerzeugung im Inneren des Kristalls direkt begrenzt wurde, wodurch eine maximale Leistung von 5 W Tief-Ultraviolett-Laserleistung und ein grün- Wirkungsgrad der Umwandlung in ultraviolettes Licht von 23,8 %. Im Vergleich zu kreisförmigen Strahlen erhöht sich die maximale Ausgangsleistung der Frequenzverdopplung des elliptischen Strahls um das 1,7-fache, aber die Effizienz der Frequenzverdopplungskonvertierung ist niedrig, wenn die Eingangsleistung für grünes Licht niedrig ist, und die Qualität des Laserstrahls im tiefen Ultraviolett ist bei Betrieb mit hoher Leistung schlecht Leistung.

Auf dieser Grundlage baut dieser Artikel ein Vollfestkörper-Licht mit 1064 nm im nahen Infrarotbereich und vervierfachter Frequenz auf, um ein experimentelles Lasergerät mit 266 nm im tiefen Ultraviolett zu erzeugen, und untersucht eingehend den internen Temperaturanstieg von BBO-Kristallen bei verschiedenen Anpassungstemperaturen während des Prozesses mit vervierfachter Frequenz und sein Einfluss auf die Ausgangsleistung eines 266-nm-Tief-Ultraviolett-Lasers. Experimentelle Daten zeigen, dass eine Erhöhung der Kristallanpassungstemperatur den durch die nichtlineare Absorption im Kristall verursachten thermischen Effekt wirksam verlangsamen und dadurch die Laserleistung im tiefen Ultraviolett verbessern kann. Wenn die Kristallanpassungstemperatur von 60 °C auf 180 °C erhöht wird, erhöht sich auch die maximale Ausgangsleistung des 266-nm-Tief-Ultraviolett-Lasers von 2,25 W auf 2,56 W. Gleichzeitig wird durch die Analyse des Wärmeerzeugungsmechanismus des BBO-Kristalls während des Prozesses eine Vervierfachung erzielt Frequenzprozess, auf der Grundlage der Konstruktion eines nichtlinearen Absorptionstheoriemodells, um die Kristalltemperaturfeldverteilung, den nichtlinearen Absorptionskoeffizienten und die normalisierte Farbzentrumsdichte bei unterschiedlichen Anpassungstemperaturen und unterschiedlichem Ultraviolett zu erhalten Laserleistungen werden anhand experimenteller Daten weiter berechnet. Der Forschungsinhalt dieser Arbeit bietet eine gute Referenz für die Erzielung einer leistungsstarken 266-nm-Laserleistung im tiefen Ultraviolett.