Estudio sobre las características térmicas del láser ultravioleta profundo de 266 nm generado por cristal BBO - 01

Introducción

Los láseres ultravioleta profundo (DUV) de estado sólido y alta potencia tienen muchas aplicaciones importantes en la investigación científica, el diagnóstico médico y la fabricación industrial, como la espectroscopia Raman, la fotobioimagen, el grabado de circuitos integrados y el micromecanizado de precisión, debido a su estructura compacta. alta energía de fotón único y buena estabilidad a largo plazo. En la actualidad, el láser ultravioleta profundo de 266 nm de estado sólido está relativamente maduro porque puede generarse directamente mediante el proceso de cuadruplicación de frecuencia delDakota del Norte-láser sólido dopado de 1064 nm, es decir, elDakota del Norte-El láser sólido dopado de 1064 nm se convierte primero en luz verde del segundo armónico de 532 nm utilizando cristales como el triborato de litio (LBO)., www.wisoptic.com) o titanil fosfato de potasio (KTP, www.wisoptic.com), y luego el láser de 532 nm generado se convierte en el láser ultravioleta profundo de cuarto armónico de 266 nm a través de cristales como el borato de litio y cesio (CLBO, www.wisoptic.com), metaborato de bario (BBO, www.wisoptic.com), fluoroborato de potasio y berilio (KBBF) y fluoroborato de rubidio y berilio (RBBF). Entre estos cristales no lineales que pueden generar una salida de láser ultravioleta profundo, aunque los cristales KBBF y RBBF pueden generar láseres ultravioleta profundos de tan solo 150 nm, todavía no se han aplicado realmente comercialmente debido a su dificultad de crecimiento y su alto costo. Los cristales más utilizados son CLBO y BBO.

En 2000, Kojima et al. de la Universidad de Osaka en Japón utilizaron un láser verde Nd:YAG con una frecuencia de repetición de 10 kHz, un ancho de pulso de 80 ns y una potencia promedio de 106 W para obtener una salida de láser de 20 W y 266 nm a través del cristal CLBO cuadruplicando; y en 2003, la potencia de salida del láser ultravioleta profundo se aumentó a 40 W mejorando la cristalinidad del cristal CLBO y aumentando la potencia de la luz verde; en 2024, Yu Hanghang et al. Se utilizó un láser de nanosegundos de 532 nm con una frecuencia de repetición de 100 kHz y una potencia promedio de 35 W como luz de frecuencia fundamental, logrando la potencia más alta de 200 W. La salida del láser de 266 nm es de 14 W y la eficiencia de conversión de 532 El láser de nm a 266 nm puede alcanzar el 41%, que es la mayor eficiencia de conversión del láser ultravioleta profundo de 266 nm producido.enChina utiliza cristal CLBO hasta ahora. Sin embargo, el cristal CLBO es propenso a derretirse en el aire. Para solucionar este problema, en 2022, Orii et al. de Spectronix Company de Japón colocó el cristal CLBO en una cámara de aire seca y sellada a alta temperatura para cuadruplicarlo, produciendo un láser ultravioleta profundo de 266 nm con una potencia promedio de 35,5 W, una frecuencia de repetición de 600 kHz y un ancho de pulso de 8 ps. , y funcionó de manera estable durante 10,000 h con una potencia de 20 W. En comparación con los cristales CLBO, los cristales BBO tienen las ventajas de una alta no linealidad. Coeficiente, menos delicuescencia y propiedades químicas estables. También son adecuados para la investigación y el desarrollo de láseres ultravioleta profundos de estado sólido y prácticos.

En los últimos años, se han obtenido láseres de estado sólido de 266 nm de alta potencia máxima con anchos de pulso que van desde nanosegundos a femtosegundos utilizando cristales BBO. En 2008, Liu et al. de la Universidad de Tsinghua utilizó un amplificador de potencia de oscilador maestro Nd:YVO₄láser como fuente de luz de frecuencia fundamental infrarroja, y utilizó cristales BBO para obtener una salida de láser ultravioleta profundo de 266 nm de alta potencia de 14,8 W con una frecuencia de repetición de 100 kHz y un ancho de pulso de 10 ns a través de un proceso de frecuencia cuádruple. La eficiencia de conversión de luz verde a ultravioleta fue del 18,3%; en 2019, Rao et al. También utilizó cristales BBO para duplicar la luz verde con una frecuencia de repetición de 78 MHz, un ancho de pulso de 190 fs y una potencia promedio de 2,4 W, y obtuvo con éxito 0,6 W de láser ultravioleta profundo de 266 nm. Sin embargo, los esquemas que utilizan BBO como cristales de frecuencia cuádruplesolo podría en generalobtenerbajoEficiencia de conversión del láser ultravioleta profundo, especialmente en el proceso de generación de láser ultravioleta profundo de alta potencia de 266 nm, el fenómeno de saturación de potencia es particularmente grave. Esto se debe a que el cristal BBO tiene una importante absorción de dos fotones cuando se irradia con una fuerte luz ultravioleta de alta potencia máxima, y ​​se formará una gran cantidad de defectos en el centro de color en el cristal, lo que agravará aún más la absorción no lineal de la luz ultravioleta por parte del cristal BBO. . Por lo tanto, el área de transmisión de luz del cristal se calienta localmente y luego se forma un gran gradiente de temperatura dentro del cristal, lo que resulta en que cada parte del cristal ya no satisface la condición de coincidencia de fases al mismo tiempo, lo que finalmente limita la aumento de la potencia del láser ultravioleta profundo de 266 nm y también tiene un gran impacto en la estabilidad a largo plazo y la calidad del haz del láser ultravioleta profundo generado. Con este fin, Yap et al. de la Universidad de Osaka en Japón desarrolló una tecnología y un método para compensar la distribución desigual de la temperatura en la cara del extremo de salida del cristal en 1998. Al rociar nitrógeno en la cara del extremo de salida del cristal para enfriarlo, el láser verde a ultravioleta La eficiencia de conversión aumentó 2,3 veces. En 2011, Takahashi et al. de Mitsubishi Materials Corporation en Japón utilizó haces elípticos para duplicar la frecuencia. Al ajustar la superposición entre la luz verde y la luz ultravioleta profunda generada, se redujo la absorción no lineal en el cristal BBO, limitando así directamente la generación de calor dentro del cristal, logrando una potencia máxima de 5 W de salida de láser ultravioleta profundo y una luz verde. Eficiencia de conversión a ultravioleta del 23,8%. En comparación con los haces circulares, la potencia de salida máxima de la duplicación de frecuencia del haz elíptico aumenta 1,7 veces, pero la eficiencia de conversión de duplicación de frecuencia es baja cuando la potencia de entrada de la luz verde es baja y la calidad del haz láser ultravioleta profundo es deficiente cuando se opera a alta temperatura. fuerza.

Con base en esto, este artículo construye un dispositivo experimental de luz infrarroja cercana de 1064 nm de estado sólido con frecuencia cuadruplicada para generar un dispositivo experimental de láser ultravioleta profundo de 266 nm, y estudia en profundidad el aumento de temperatura interna del cristal BBO a diferentes temperaturas coincidentes durante el proceso de frecuencia cuadruplicada. y su influencia en la potencia de salida del láser ultravioleta profundo de 266 nm. Los datos experimentales muestran que aumentar la temperatura de adaptación del cristal puede ralentizar efectivamente el efecto térmico causado por la absorción no lineal dentro del cristal, mejorando así la salida de potencia del láser ultravioleta profundo. Cuando la temperatura de adaptación del cristal aumenta de 60 ℃ a 180 ℃, la potencia de salida máxima del láser ultravioleta profundo de 266 nm también aumenta de 2,25 W a 2,56 W. Al mismo tiempo, al analizar el mecanismo de generación de calor del cristal BBO durante la cuadruplicación proceso de frecuencia, sobre la base de la construcción de un modelo teórico de absorción no lineal para obtener la distribución del campo de temperatura del cristal, el coeficiente de absorción no lineal y la densidad del centro de color normalizado bajo diferentes temperaturas coincidentes y diferentes Las potencias del láser ultravioleta se calculan además utilizando datos experimentales. El contenido de investigación de este artículo proporciona una buena referencia para lograr una salida de láser ultravioleta profundo de alta potencia de 266 nm.