آفاق تطبيق ليزر 222 نانومتر في مجال تصنيع الأجهزة الضوئية 2
1.4 اختيار المسار الفني لليزر 222 نانومتر
يركز هذا القسم على الأبحاث المتعلقة بالحالة-الصلبة-المدمجة222 نانومتر ضوء الأشعة فوق البنفسجيةمصدر. استنادًا إلى مراجعة الأدبيات أعلاه الخاصة بأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة- ذات الحالة الصلبة فوق البنفسجية العميقة المضخوخة LD-، سيتم تحليل خصائص مختلف وسائط كسب Nd³⁺-شبه المنشطات-ثلاثية-نظام المستوى، وطرق ضخ LD، وتجويفات الرنين، وطرق تبديل Q-، والبلورات المضاعفة للتردد غير الخطي- واختيارها لصياغة الطريق الفني لتحقيق222 نانومتر للأشعة فوق البنفسجيةالإخراج.
1.4.1 كريستال الليزر
1. خصائص الأنواع المختلفة من وسائط كسب الليزر
1) قضيب على شكل -متوسط الكسب
توفر أجهزة ليزر الحالة الصلبة- التي تستخدم بلورات على شكل قضيب-كوسائط كسب مزايا مثل البنية البسيطة والمدمجة، والوزن المنخفض، وجودة الشعاع الجيدة، والكفاءة العالية، والتكلفة المنخفضة. حتى الآن، تم استخدام وسائط الكسب على شكل قضيب-على نطاق واسع في أجهزة الليزر ذات الحالة الصلبة-إلى-الطاقة المنخفضة والمتوسطة-، بما في ذلك التطبيقات التي تستهدفمصباح UVC البعيد 222 نانومترتكنولوجيا. يبلغ قطر وسائط الكسب-القضيبية بشكل عام بضعة ملليمترات، ويتراوح الطول عادةً من بضعة ملليمترات إلى عدة مئات من ملليمترات. عادةً، يتم تصنيف طرق ضخ ليزر الحالة الصلبة- مع وسائط الكسب على شكل قضيب- استنادًا إلى العلاقة بين الاتجاه الساقط لضوء المضخة واتجاه انتشار الضوء المتذبذب، أيالضخ الطوليوضخ عرضي. تظهر هياكلها في الشكل 1.1 (أ) و (ب). يشير الضخ الطولي إلى السيناريو الذي ينتشر فيه كل من ضوء المضخة والليزر المتأرجح في نفس الاتجاه الطولي. الضخ المستعرض يعني أن ضوء المضخة يسقط من جانب وسط الليزر، بينما يتأرجح الليزر المتذبذب في الاتجاه الطولي. (الشكل 1.1 الرسوم التخطيطية لهياكل الليزر على شكل قضيب- مع الضخ الطولي والعرضي، بما في ذلك (أ) الضخ الطولي و(ب) هياكل الضخ العرضية)
أثناء تشغيل الليزر، لا يتم تحويل جزء من طاقة ضوء المضخة بشكل فعال إلى مخرجات ليزر ولكنها موجودة كحرارة داخل بلورة الليزر. تعمل بلورات الليزر ذات الشكل العصوي- على تبديد الحرارة بشكل رئيسي من خلال جوانبها، مما يتسبب في تدرج درجة الحرارة الشعاعية في البلورة. يؤدي هذا التدرج إلى تغييرات في تدرج معامل الانكسار والتشوه الحراري للوجوه النهائية للبلورة، مما يؤدي في النهاية إلى تأثير العدسة الحرارية، والانكسار المزدوج المستحث حراريًا، وفقدان الحيود المستحث حراريًا. تعمل هذه المشكلات على تقييد حقن طاقة المضخة العالية وتؤدي إلى تدهور جودة الشعاع واستقرار طاقة الليزر الناتج، خاصة في حالة الليزر المضغوط222 نانومتر ضوء الأشعة فوق البنفسجيةأنظمة. في السنوات الأخيرة، على الرغم من التقدم الكبير في تقنية مصدر مضخة LD [88]، بالإضافة إلى التحسينات في تقنية تبديد الحرارة وجودة بلورات الليزر المرتبطة [89-90]، تم تحسين أداء مخرجات الليزر على شكل قضيب- بشكل كبير. ومع ذلك، فإن أجهزة الليزر ذات الشكل القضيبي-لا تزال تعاني من التأثير السلبي الذي لا يمكن تجنبه للعدسة الحرارية. لذلك، تعد وسائط الكسب على شكل قضيب- مناسبة عمومًا لأجهزة الليزر ذات الطاقة المنخفضة-إلى-المتوسطة.
2) كسب القرص الرقيق-متوسط
كما هو موضح في الشكل 1.2، يتم تصنيع وسط كسب القرص الرقيق- في بنية قرص رفيعة جدًا على طول اتجاه تذبذب الليزر، بسمك يتراوح عادةً من 100 إلى 300 ميكرومتر وقطر من 10 إلى 20 ملم. يتم تغليف إجمالي أفلام الانعكاس لكل من ضوء المضخة والضوء المتذبذب على أحد وجهي سطح القرص الرقيق -، والذي يتم تثبيته بعد ذلك في اتصال كامل مع المشتت الحراري ويتم تبريده بواسطة الماء المتداول. (الشكل 1.2 رسم تخطيطي لبنية الليزر-القرصية الرقيقة)
يوفر هذا الهيكل منطقة اتصال كبيرة بين الوجه النهائي للوسيط والمشتت الحراري، مما يسهل التبديد السريع والكافي للحرارة التي يمتصها وسط الكسب من خلال منطقة الاتصال الكبيرة هذه. يتوافق اتجاه التدرج الحراري لبلورة الليزر في هذا الهيكل مع اتجاه انتشار الضوء المتأرجح في التجويف. من الناحية النظرية، يكون تدرج درجة الحرارة هذا صغيرًا ولا يؤثر على كفاءة إخراج الليزر أو جودة الشعاع. بالمقارنة مع الليزر البلوري- على شكل قضيب، تتمتع بلورات الليزر القرصية الرفيعة- بمساحة سطح أكبر لتبديد الحرارة وحجم ضوء المضخة، مما يؤدي إلى كفاءة أعلى في تبديد الحرارة وملاءمة لضوء مضخة الطاقة العالية-. نظرًا للسمك الصغير للغاية لبلورات الليزر القرصية- الرفيعة، فإن عاكس ضوء المضخة عادةً ما يتم تصميمه في هيكل مكافئ للسماح لضوء المضخة بالمرور عبر بلورة القرص الرقيقة - عدة مرات، وبالتالي تحسين كفاءة استخدام ضوء المضخة. من بين وسائط كسب القرص الرقيقة، تتمتع بلورات Yb:YAG بمزايا مثل عيب كمي صغير، وبنية بسيطة لمستوى الطاقة، وعدم وجود تأثيرات طفيلية (على سبيل المثال، امتصاص الحالة -المتحمس (ESA)، والتحويل (ETU)، والاسترخاء المتبادل-) [91]. ومن ثم، فقد تمت دراسة وسائط كسب الأقراص الرقيقة-المعتمدة على هذه المادة على نطاق واسع في السنوات الأخيرة وأظهرت إمكانية كبيرة لإنتاج-مخرجات ليزر عالية الطاقة، على الرغم من أنها أقل شيوعًا بالنسبة للأجهزة المتخصصةلمبة 222 نانومترالتصاميم. قامت شركة TRUMPF GmbH (ألمانيا) بتطوير ليزر ذو أقراص رفيعة Yb:YAG-مع بنية متوسطة لكسب الأقراص المتعددة-، مما يحقق طاقة خرج بمستوى كيلووات.
3) كسب البلاطة المتوسطة
كما هو الحال مع أجهزة الليزر القرصية الرقيقة-، تم تطوير أجهزة الليزر اللوحية أيضًا لمعالجة التأثيرات الحرارية التي تتم مواجهتها عند توليد الليزر عالي الطاقة-. ومع ذلك، يختلف هيكلها بشكل كبير عن وسائط كسب القرص الرقيقة-: يتم تقليل سمك وسط كسب اللوح في الاتجاه العمودي على الضوء المتذبذب، عادةً إلى بضعة ملليمترات. في عام 1972، مارتن دبليو إس وآخرون. [92] اقترح ليزر Zig-Zag slab النموذجي، والذي يظهر هيكله في الشكل 1.3. إنها تعتمد طريقة ضخ جانبية، حيث يكون اتجاه التدرج في درجة الحرارة في وسط الكسب هو نفس اتجاه انتشار ضوء المضخة (أي عمودي على الوجه الكبير للبلورة). لحل تأثير العدسات الحرارية، قم بزيادة نفاذية الضوء المتذبذب، وتقليل فقدان انعكاس الضوء المتذبذب على الضوء-وجه إرسال اللوحة، وعادةً ما يتم قطع وجه إرسال الضوء-لوسط الكسب بزاوية بروستر. يسمح ذلك لليزر المتذبذب بالانتشار من خلال انعكاسات إجمالية متعددة على الوجوه الكبيرة لوسط الكسب، وبالتالي موازنة التأثيرات الحرارية لبلورة الليزر في اتجاه ضوء المضخة. يلعب هيكل اللوح دورًا مهمًا في مجال الليزر ذو الطاقة المتوسطة-إلى-عالي الطاقة. (الشكل 1.3 رسم تخطيطي لهيكل الليزر اللوحي)
4) اكتساب الألياف المتوسطة
يتم تطوير ليزر الألياف استنادًا إلى مضخمات الألياف، باستخدام ألياف زجاجية نادرة-مطعمة بالتراب-كوسائط كسب. نظرًا لنسبة مساحة السطح الكبيرة-إلى-حجم وسائط كسب الألياف، تتمتع ليزرات الألياف بمزايا متأصلة في أداء تبديد الحرارة وآفاق تطبيق واعدة في مجال أجهزة الليزر عالية الطاقة-. بالمقارنة مع هياكل الألياف التقليدية ذات النمط الأحادي-، فإن الألياف ذات الكسوة المزدوجة- لها كسوة داخلية إضافية، تتكون من أربعة أجزاء: النواة، والكسوة الداخلية، والكسوة الخارجية، والطبقة الواقية. ويبين الشكل 1.4 المخطط الهيكلي النموذجي. يعمل المركز كوسيط لتذبذب الليزر، ويمكن الحصول على إخراج ليزر أحادي الوضع-أو متعدد الأوضاع-اعتمادًا على حجم المركز. (الشكل 1.4 رسم تخطيطي لبنية ليزر الألياف)
عادةً، يتم استخدام الهياكل غير المنتظمة (على سبيل المثال، بيضاوية الشكل، على شكل D-، مربعة، وزهرة البرقوق-) لإقران ضوء المضخة في الكسوة الداخلية، دون أي متطلبات على وضع الإدخال لضوء المضخة. ينتشر ضوء المضخة ذهابًا وإيابًا بين الكسوة الداخلية والخارجية ويتم امتصاصه بواسطة القلب بعد مرور عدة مرات. الطبقة الخارجية هي الطبقة الواقية من الألياف. من بين الأيونات الأرضية- النادرة مثل Nd³⁺ وEr³⁺ وYb³⁺ وTm³⁺ وYb³⁺-الألياف المغطاة المزدوجة- ذات المزايا العديدة (على سبيل المثال، الحمل الحراري المنخفض للغاية، والعيوب الكمومية الصغيرة، ونطاق إخراج الطول الموجي الواسع (975-1180 نانومتر) [93-94])، مما يجعل منهم الليزر الليفي الأكثر دراسة على نطاق واسع حاليًا.
5) مقارنة خصائص وسائط كسب الليزر المختلفة
على الرغم من أن وسائط-القرص واللوح ووسائط كسب الألياف الرقيقة تساعد على إنتاج ليزر عالي الطاقة-، إلا أن أجهزة الليزر التي تحتوي على-وسائط كسب القرص أو اللوح الرفيع لها هياكل معقدة نسبيًا وأحجام كبيرة وتكاليف عالية. وبالمثل، فإن الألياف طويلة، وبنية Nd³⁺-شبه مخدرة-ثلاثية-ألياف على شكل قضيب النظام-لنطاق 0.9 ميكرومتر معقدة وضخمة ومكلفة. نظرًا لهدف هذه الدراسة-وهو تطوير ميثاقمصباح UVC البعيد 222 نانومتريُفضل النظام-وسائط الكسب على شكل Nd³⁺-القضيب المخدر-كبلورة الليزر.
2. Nd³⁺-شبه مخدر-وسائط كسب النظام ذات الثلاثة مستويات
تتمتع بلورات الليزر Nd:YVO₄ وNd:GdVO₄ بطول موجة انبعاث رئيسي يبلغ 0.91 ميكرومتر في أنظمة المستويات شبه-الثلاثة-. وسائل الإعلام الهامة لتوليد222 نانومتر للأشعة فوق البنفسجيةومن خلال مضاعفة التردد الرباعي، فإنها تظهر خصائص فيزيائية وبصرية ممتازة. تحتوي بلورة نيوديميوم- فانادات الإيتريوم المطلية (Nd:YVO₄) على بنية رباعية الزوايا وتنتمي إلى النظام البلوري أحادي المحور. يتراوح انكسارها المزدوج Δn من 0.2225 إلى 0.254، ومدى طولها الموجي الشفاف هو 0.45–4.8 ميكرومتر. مع صلابة قريبة من صلابة الزجاج، فهو ليس سهل الذوبان وسهل المعالجة والطلاء. وبالتالي، فهي واحدة من بلورات الليزر الأكثر استخدامًا حاليًا. يسرد الجدول 1.4 الخصائص الفيزيائية للبلورة Nd:YVO₄. يبلغ المقطع العرضي للانبعاث -Nd:YVO₄ عند 0.914 ميكرومتر (σ₉₁₄ₙₘ) حوالي 19.5×10⁻²⁰ cm². بالقرب من النطاق 808 نانومتر، تتمتع بلورة Nd:YVO₄ بنطاق امتصاص واسع (حوالي 21 نانومتر). ترتبط كفاءة امتصاص بلورة Nd:YVO₄ لضوء المضخة باتجاه الاستقطاب بين ضوء المضخة والليزر الناتج، مع أعلى كفاءة امتصاص عندما يكون الاتجاهان متماثلين. بالنسبة إلى بلورات قطع المحور -، يكون متجه E- لليزر موازيًا لاتجاه الاستقطاب π- للمحور البصري للبلورة وعموديًا على اتجاه الاستقطاب σ- للمحور البصري. ومع ذلك، بالمقارنة مع الاستقطاب σ-، تُظهر البلورة امتصاصًا أقوى لضوء المضخة وإشعاعًا أقوى في اتجاه الاستقطاب π-. وفي الوقت نفسه، تكون كفاءة مضاعفة التردد للضوء المستقطب أعلى نسبيًا أثناء مضاعفة التردد. لذلك، يتم استخدام بلورات - قطع المحور Nd:YVO₄ ذات الاستقطاب π- في الغالب.
الجدول 1.4 الخصائص الفيزيائية للبلورة Nd:YVO₄
| الكثافة الذرية / سم³ (Nd³⁺ 1.0%) | الهيكل البلوري | كثافة | صلابة موس | معامل التمدد الحراري (300 ك) | الموصلية الحرارية (300 كيلو) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1.26×10²⁰ | النظام الرباعي | 4.22 جم/سم3 | 4-5 | أₐ=4.43×10⁻⁶/K a_c=11.37×10⁻⁶/K | //ج: 5.23 واط/(م·ك) ⊥ج: 5.10 واط/(م·ك) |
يظهر هيكل مستوى الطاقة لبلورة Nd:YVO₄ في الشكل 1.5. تتمتع بلورة Nd:YVO₄ بمعدلات امتصاص عالية للضوء بالقرب من نطاقي 808 نانومتر و879 نانومتر. تمتص الجسيمات الموجودة في مستوى الطاقة الأرضية ضوء المضخة وتنتقل إلى مستوى الطاقة ⁴F₅/₂. ومع ذلك، فإن عمر الجزيئات في مستوى الطاقة ⁴F₅/₂ قصير جدًا (حوالي 10⁻¹⁰ ثانية)، وتنتقل بسرعة إلى مستوى الطاقة شبه المستقر ⁴F₃/₂ من خلال الاسترخاء الإشعاعي غير -. (الشكل 1.5 رسم تخطيطي لهيكل مستوى الطاقة لبلورة Nd:YVO₄)
عمر الجسيمات في مستوى الطاقة شبه المستقر ⁴F₃/₂ طويل نسبيًا (حوالي 10⁻⁴ ثانية)، مما يوفر الشرط لانعكاس السكان. تحتوي بلورة Nd:YVO₄ على أربعة مستويات طاقة انتقالية رئيسية: ⁴F₃/₂→⁴I₁₁/₂، ⁴F₃/₂→⁴I₁₃/₂، ⁴F₃/₂→⁴I₁₅/₂، و ⁴F₃/₂→⁴I₉/₂، الموافق لأطوال موجات الانبعاث البالغة 1064 نانومتر، و1342 نانومتر، و1839 نانومتر، و914 نانومتر، على التوالي. في درجة حرارة الغرفة، يحتوي الخط الطيفي 1064 نانومتر على أكبر مقطع عرضي للانبعاث - وأعلى معامل كسب، يليه الخط الطيفي 1342 نانومتر، في حين أن الخطوط الطيفية 1839 نانومتر و914 نانومتر لها الأصغر. من بين التحولات الأربعة لمستويات الطاقة المذكورة أعلاه، ينتمي الانتقال ⁴F₃/₂→⁴I₉/₂ إلى نظام المستويات شبه -الثلاثي- للبلورة Nd:YVO₄. تحت تأثير المجال الشبكي المضيف، يخضع كل مستوى طاقة لأيونات Nd³⁺ لتقسيم صارخ. ينقسم مستوى طاقة الليزر ⁴F₃/₂ إلى مستويين فرعيين - (R₁ وR₂)، وهما قريبان جدًا من بعضهما البعض. تتبع مجموعات الجسيمات في المستويات الفرعية R₁ وR₂-قانون توزيع بولتزمان، وهو ما يمثل 55% و45% من إجمالي الجسيمات في مستوى الطاقة ⁴F₃/₂، على التوالي. يخضع مستوى طاقة الليزر الأدنى ⁴I₉/₂ أيضًا لتقسيم ستارك، مكونًا 5 مستويات فرعية - (Z₁~Z₅)، كما يتبع عدد الجسيمات في كل مستوى فرعي قانون توزيع بولتزمان. يتم إنشاء الخط الطيفي 914 نانومتر عن طريق انتقال الجزيئات من مستوى R₁ sub- من ⁴F₃/₂ إلى مستوى Z₅ sub- من ⁴I₉/₂. وفقًا لتوزيع بولتزمان، يمثل عدد الجسيمات في المستوى الفرعي - السفلي لليزر Z₅ 5% من إجمالي الجزيئات في مستوى الطاقة ⁴I₉/₂. تتسبب هذه الجسيمات الموجودة في المستوى الفرعي السفلي - في إعادة امتصاص الليزر بطول 914 نانومتر الناتج عن انتقال مستوى طاقة الليزر ⁴F₃/₂→⁴I₉/₂، مما يؤثر بشكل خطير على طاقة العتبة وكفاءة انحدار الخرج لليزر. ولذلك،-هناك حاجة إلى بحث متعمق لقمع تأثير إعادة الامتصاص بشكل فعال في نظام-شبه-المستويات الثلاثة وتحسين أداء الإخراج لأشعة الليزر ذات المستويات-شبه الثلاثة-المستهدفة222 نانومتر ضوء الأشعة فوق البنفسجية.
GdVO₄ وYVO₄ عبارة عن مواد بلورية مضيفة لها نفس البنية. يؤدي انتقال مستوى الطاقة ⁴F₃/₂→⁴I₉/₂ لنظام المستويات شبه -البلورية Nd:GdVO₄ إلى توليد ليزر بطول 912 نانومتر. يقارن الجدول 1.5 معلمات الأداء الرئيسية لبلورات Nd:YVO₄ وNd:GdVO₄ في أنظمة المستويات شبه -الثلاثة-، بما في ذلك الطول الموجي الأساسي، والتردد-طول الموجة المضاعف، والقسم العرضي للانبعاث المحفز-، وعمر المستوى العلوي-، والقسم العرضي للامتصاص، وعرض نطاق الامتصاص، والتوصيل الحراري.
جدول 1.5 مقارنة معلمات أداء بلورات Nd:YVO₄ وNd:GdVO₄ في أنظمة شبه -ثلاثة-مستويات
| كريستال | الطول الموجي الأساسي αₐ / نانومتر | التردد-تضاعف الطول الموجي lectₐ / نانومتر | المقطع العرضي للانبعاث المحفز- σₐ / (10⁻²⁰ cm²) | مستوى -العمر الأعلى τ / μs | مقطع الامتصاص العرضي -σₐ / (10⁻²⁰ cm²) | عرض النطاق الترددي للامتصاص / نانومتر | الموصلية الحرارية / (ث/(سم·ك)) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| الثاني:YVO₄ | 914 (π) 915 (σ) | 457 | 4.8 (π) 4.3 (σ) | 100 | 60.1 (π) 12.0 (σ) | 20 | 0.0532 |
| الثانية:GdVO₄ | 912 | 456 | 6.6 (π) 5.6 (σ) | 95 | 54.6 (π) 12.3 (σ) | 4 (π) 5.8 (σ) | 0.117 |
من خلال المقارنة المذكورة أعلاه للخصائص الفيزيائية والبصرية، تتمتع كل من بلورات Nd:YVO₄ وNd:GdVO₄ بخصائصها الخاصة كوسائط كسب مرشحة. بالمقارنة مع Nd:GdVO₄، تتمتع بلورة Nd:YVO₄ بعرض نطاق امتصاص أوسع بالقرب من النطاق 808 نانومتر، مما يقلل من متطلبات مصادر المضخة وتكنولوجيا التحكم في درجة الحرارة ويسمح بظروف تشغيل خارجية مريحة نسبيًا لليزر. بالإضافة إلى ذلك، فهو يتميز بعمر أطول قليلاً للمستوى العلوي- (مناسب لأجهزة الليزر النبضية) ومزايا من حيث التكلفة. لذلك، تم اختيار بلورة Nd:YVO₄ كوسيلة لكسب الليزر في هذه الدراسة لتحقيق الكفاءةلمبة 222 نانومترالنماذج الأولية.
1.4.2 طريقة الضخ
في ليزرات الحالة الصلبة-المضخوخة LD-، توجد طرق متعددة لربط الضوء المنبعث من LD بوسط كسب الليزر. عادة، يتم تصنيف هذه الطرق إلى نوعين بناءً على العلاقة بين اتجاهات انتشار ضوء المضخة والليزر المتذبذب:الضخ النهائي (الطولي)والضخ الجانبي (العرضي)(انظر الشكل 1.1). يتم تحليل ومقارنة الخصائص الهيكلية لهاتين الطريقتين للضخ أدناه.
1. إنهاء الضخ
تتميز أجهزة الليزر ذات الحالة الصلبة -المضخومة المنخفضة-إلى-الطاقة المتوسطة-بمزايا البنية البسيطة والمدمجة، وجودة الشعاع الجيدة، والكفاءة العالية، مما يجعلها أكثر أنواع الليزر استخدامًا على نطاق واسع، خاصة في222 نانومتر للأشعة فوق البنفسجيةإعدادات الجيل وهي تتكون أساسًا من ثلاثة أجزاء: مصدر مضخة LD، ونظام الاقتران البصري، وليزر الحالة الصلبة -، مع توضيح هيكلها في الشكل 1.1 (أ). يتم إرسال الليزر المنبعث من LD للضخ على طول اتجاه الضوء المتذبذب في التجويف، ويتم تركيز الشعاع في وسط الكسب. من خلال تحسين معلمات تجويف الرنين، يمكن تحقيق نسبة حجم موضعي مناسبة بين ضوء المضخة والضوء المتذبذب (أي مطابقة الوضع). هذه النسبة لها تأثير كبير على كفاءة ضخ ضوء المضخة وأداء خرج الليزر. بالإضافة إلى ذلك، ينتشر ضوء المضخة مسافة طويلة في بلورة الليزر ويتم امتصاصه بالكامل بواسطة البلورة، مما يؤدي إلى انخفاض طاقة عتبة المضخة وكفاءة انحدار عالية لليزر باستخدام طريقة الضخ هذه. لذلك، يتم استخدام تقنية الضخ الطرفي LD-على نطاق واسع في أجهزة الليزر ذات الحالة الصلبة-إلى-الطاقة المنخفضة والمتوسطة-ذات جودة شعاع عالية وكفاءة تحويل عالية. هناك نوعان رئيسيان من تكنولوجيا الضخ النهائي-:
يتم حقن الضوء المنبعث من صمام ثنائي الليزر مباشرة في بلورة الليزر من خلال نظام اقتران بصري. من خلال تحسين تصميم تجويف الرنين ومعلمات نظام الاقتران، يمكن تحقيق التداخل الأمثل بين شعاع المضخة والشعاع المتأرجح.
يتم أولاً اقتران ضوء الخرج الخاص بـ LD بالألياف الضوئية، ثم يتم حقنه في وسط كسب الليزر من خلال مخرج الألياف. لا تعمل هذه الطريقة على عزل ليزر الحالة الصلبة- عن الصمام الثنائي الليزري لتقليل التأثير المتبادل للتأثيرات الحرارية فحسب، بل تسمح أيضًا للألياف بتشكيل ضوء الإخراج لـ LD، مما يؤدي إلى تحقيق مطابقة الوضع.
2. الضخ الجانبي
على الرغم من أن هيكل الضخ النهائي-يتمتع بمزايا الكفاءة العالية وجودة الشعاع الجيدة، إلا أنه لا يمكنه ضخ طاقة عالية للمضخة نظرًا لقيود منطقة الضخ الصغيرة لبلورة الليزر والتأثير السلبي للعدسة الحرارية. مع زيادة طاقة مخرجات LD والتحسينات في تقنية تبديد الحرارة، قام الباحثون بتحسين معلمات بلورات الليزر باستخدام مصفوفات LD متعددة استنادًا إلى بنية مصابيح الليزر التي يتم ضخها بواسطة المصباح -، وحقن طاقة ضوء المضخة في البلورة من سطح الأسطوانة أو المكعب. تعمل طريقة الضخ هذه على زيادة مساحة حقن ضوء المضخة ومساحة سطح تبديد الحرارة لبلورة الليزر، وبالتالي تحسين كل من طاقة الحقن وطاقة الخرج بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، يساهم الحجم المتزايد لوسط الكسب أيضًا في زيادة معينة في طاقة خرج الليزر. يظهر هيكل الضخ الجانبي في الشكل 1.1 (ب). في الوقت الحالي، تعتمد معظم أجهزة الليزر ذات الحالة-الصلبة- ذات الطاقة الناتجة التي تتراوح بين مئات واط إلى كيلووات هيكل الضخ الجانبي.
3. مقارنة بين طريقتي الضخ
يتميز الضخ الطرفي LD بمزايا الهيكل البسيط والمدمج والكفاءة العالية وجودة الشعاع الجيدة. على الرغم من أن الضخ الجانبي LD يؤدي إلى إنتاج ليزر عالي الطاقة-، إلا أنه يتمتع ببنية معقدة نسبيًا وحجم كبير. لذلك، تم اعتماد طريقة الضخ بطرف LD- في هذه الدراسة للضغطمصباح UVC البعيد 222 نانومترالتطبيقات.
1.4.3 تجويف الرنين بالليزر
في جميع أجهزة الليزر ذات الحالة-الصلبة-، يكون لاختيار تجويف رنين الليزر تأثير كبير على أداء مخرجات الليزر. بعد تحديد معلمات بلورة الليزر، يجب تحديد تجويف الرنين المناسب بناءً على متطلبات أداء خرج الليزر. من التحليل أعلاه لنظام مستوى الطاقة لوسط الكسب المخدر Nd³⁺-، فإن نظام المستويات شبه -ثلاثي-يحتوي على مقطع عرضي صغير للانبعاث-ويعاني من إعادة الامتصاص. هذه العوامل المعاكسة لها تأثير لا يُذكر-على تحقيق طاقة عالية-وإخراج ضوء بتردد أساسي عالي الجودة-لشعاع-. لذلك، عند اختيار هيكل تجويف الرنين، يجب أخذ جانبين في الاعتبار: يجب أن يكون ملائمًا لتعزيز خرج ضوء التردد الأساسي وتحقيق كفاءة مضاعفة عالية التردد. من مراجعة الأدبيات المذكورة أعلاه حول ليزر الحالة الصلبة-DUV، بالنسبة لأنظمة المستويات الأربعة-، فإن أبسط طريقة لتوليد التوافقي الرابع هي استخدام الجيل التوافقي الثاني خارج الجاذبية. ومع ذلك، بالنسبة لنظام -شبه ثلاثي المستويات-المعتمد في هذه الدراسة، فإن كفاءة تحويل مضاعفة التردد التي تم الحصول عليها عن طريق الجيل التوافقي الثاني الإضافي ستكون منخفضة جدًا. لذلك، لتوليد بشكل فعال222 نانومتر ضوء الأشعة فوق البنفسجية، فمن الضروري إجراء دراسة شاملة واختيار بنية تجويف رنانة تكون سهلة التنفيذ وتتيح مضاعفة التردد بكفاءة عالية-.
لتحسين كفاءة مضاعفة التردد، يتم عادةً وضع بلورة مضاعفة التردد-داخل تجويف الليزر (على سبيل المثال،مضاعفة التردد داخل التجويف). يسمح هذا لضوء التردد الأساسي بالمرور عبر البلورة-المضاعفة التردد عدة مرات (ذهابًا وإيابًا)، وبالتالي تحسين معدل استخدام ضوء التردد الأساسي. تشمل أنواع التجويف شائعة الاستخداممستقيم-تضاعف التردد داخل التجويف, V-مضاعفة التردد داخل التجويف، وZ-مضاعفة التردد داخل التجويف، مع هياكلها الموضحة في الأشكال 1.6-1.8. هناك طريقة فعالة مماثلة وهي استخدام تجويف رنين خارج التجويف لزيادة قوة تداول الموجة الأساسية، أو الموجة التوافقية، أو كليهما.
يتميز هيكل التجويف المستقيم-بمزايا التصميم البسيط والمدمج وسهولة التعديل، إلا أن كفاءة مضاعفة التردد منخفضة. ويرجع ذلك إلى أن أحجام البقع في وسط كسب الليزر وبلورة مضاعفة التردد-لا يمكن تحديدها بحرية، مما يجعل من المستحيل تحقيق مطابقة وضع الشعاع وكفاءة مضاعفة التردد العالي. لذلك، فإن بنية التجويف المستقيم - غير مناسبة لمتوسط كسب نظام Nd³⁺-شبه المخدر-ثلاثي-من المستوى.
يحتوي هيكل الرنين ذو التجويف V- على شعاعين مستقلين نسبيًا على ذراعيه، ويمكنهما في نفس الوقت تلبية شروط مطابقة الوضع ومضاعفة التردد عالي الكفاءة-. ومع ذلك، فهو يعاني من الاستجماتيزم، مما يؤدي إلى تدهور جودة شعاع الليزر الناتج.
يتميز التجويف Z-بكفاءة مضاعفة عالية التردد واستقرار حراري جيد، مع جودة شعاع أفضل قليلاً من التجويف V-. ومع ذلك، فإنه يحتوي على بنية معقدة وفقدان كبير داخل التجويف.
بالنسبة لتجويف الرنين الإضافي، يلزم وجود جهاز مؤازر عريض النطاق للتحكم بدقة في طول التجويف، ويجب أن تكون نفاذية مرآة الإدخال للضوء الساقط مطابقة للممانعة -مع إجمالي فقدان التجويف لتحقيق أعلى كفاءة تحويل. وينتج عن هذا هيكل عام معقد نسبيًا. (الشكل 1.6 رسم تخطيطي لبنية مضاعفة تردد نهاية LD -المضخوخة بشكل مستقيم- داخل التجويف) (الشكل 1.7 رسم تخطيطي لبنية مضاعفة التردد لنهاية LD -المضخوخة V-) (الشكل 1.8 رسم تخطيطي لتجويف Z نهاية -المضخوخ) هيكل مضاعفة التردد داخل التجويف)
بناءً على التحليل أعلاه، يُفضل في هذه الدراسة تجويف الرنين الليزري على شكل V- مع الجيل التوافقي الثاني داخل التجويف، وتم اعتماد طريقة تركيز عدسة بسيطة نسبيًا للجزء المزدوج للتردد الرباعي خارج التجويف لتحسينلمبة 222 نانومترأداء.
