تجربة على -الأشعة فوق البنفسجية العميقة 222 نانومتر الصلبة-حالة الليزر 1

5.1 المخطط التجريبي لليزر الحالة الصلبة 222 نانومتر

5.1.1 الإعداد التجريبي لنظام الليزر

الإعداد التجريبي للالأشعة فوق البنفسجية البعيدة 222 نانومتريظهر الليزر فوق البنفسجي العميق في الشكل 5.1، والذي يستخدم بنية تجويف رنين على شكل V- مع توليد توافقي ثانٍ داخل التجويف وتوليد توافقي رابع خارج التجويف. مصدر المضخة عبارة عن مصفوفة من صمامات الليزر الثنائية-المقترنة بالألياف بقدرة خرج قصوى تبلغ 110 وات. من خلال ضبط درجة الحرارة، يتزامن الطول الموجي المركزي لضوء المضخة مع الطول الموجي للامتصاص المركزي Nd:YVO₄، ويتم تركيزه في نقطة المضخة بنصف قطر 200μm عبر نظام الموازاة والتركيز وحقنه في بلورة Nd:YVO₄. يتكون نظام الاقتران من مرآتين محدبتين -بنصف قطر انحناء R=10mm ومستقطب بزاوية 45 درجة. الكسر الذري للمنشطات Nd³⁺ في بلورة Nd:YVO₄ هو 0.1%، وحجمها 4mm×4mm×5mm. الطرف الأيسر مغطى بأفلام انعكاسية مضادة-808 نانومتر، 1064 نانومتر وفيلم انعكاس عالي 914 نانومتر، بينما الطرف الأيمن مطلي بأغشية انعكاسية مضادة-914 نانومتر، 1064 نانومتر و1342 نانومتر. جانب كريستال الليزر مغلف بطبقة من رقائق الإنديوم ومثبتة على مبدد حراري من النحاس الأحمر، ويتم التحكم في درجة الحرارة عن طريق مبرد الماء المتداول. لضمان تبديد الحرارة الكافي للبلورة، يجب التأكد من أن الجوانب الأربعة للبلورة على اتصال كامل بتدفق الماء في المبرد. يتم استخدام مرآة مقعرة -M بنصف قطر انحناء 50 مم كمرآة الإخراج. سطحه المقعر مطلي بطبقة انعكاسية عالية-914 نانومتر وأفلام انعكاسية مضادة-457 نانومتر، 1064 نانومتر، 1342 نانومتر، وسطحه مغطى بأفلام انعكاسية مضادة-457 نانومتر، 914 نانومتر، 1064 نانومتر، و1342 نانومتر. يتم استخدام مرآة مستوية M₂ بنصف قطر انحناء 200 مم كعاكس، ويتم طلاء سطحها بأفلام انعكاس بارتفاع 457 نانومتر و914 نانومتر، بحيث تشكل مرآة الطرف الأيسر M₁ من بلورة Nd:YVO₄ ومرآة M ومرآة M₂ تجويف رنين على شكل V-، بزاوية بين الذراعين ≈10 درجة . من بينها، يتم إدخال مفتاح صوتي - بصري Q- في الذراع الطويلة L₁ المتكونة من المرايا M₁ وM، ويتم إدخال بلورة LBO للجيل التوافقي الثاني في الذراع القصير المتكون من المرايا M وM₂، ويتم وضعها على مسافة حوالي 1 مم من العاكس M₂. يبلغ حجم بلورة LBO 4 مم × 4 مم × 15 مم، ويتم تغليف طرفي البلورة بأغشية انعكاسية مضادة للانعكاس مقاس 457 نانومتر، و914 نانومتر، و1064 نانومتر. الطول الموجي للتذبذب لهذا التجويف الرنان هو 914 نانومتر. بعد مضاعفة التردد بواسطة بلورة LBO، يتم إنشاء طول موجي قدره 457 نانومتر، ويتأرجح في الذراع القصير لتجويف الرنين، ويخرج من المرآة المقعرة -المسطحة M. M₃ عبارة عن مرآة تركيز 457 نانومتر، سطحها مطلي بطبقة انعكاس مضادة - 457 نانومتر. يتم وضع بلورة BBO للجيل التوافقي الرابع بالقرب من نقطة التركيز. كلا طرفي البلورة مطليان بأفلام مضادة للانعكاس مقاس 457 نانومتر و222 نانومتر. بعد مضاعفة التردد بواسطة بلورة BBO،الأشعة فوق البنفسجية البعيدة 222يمكن توليد الليزر فوق البنفسجي، ويتم فصل الليزر 457 نانومتر و222 نانومتر بواسطة منشور مقسم الشعاع M₄.

الشكل 5.1 الإعداد التجريبي لنظام الاقتران البصري بعمق 222 نانومتر - بالليزر فوق البنفسجي 1؛ 2-Nd:YVO₄ وحدة كريستال ملفوفة في المشتت الحراري؛ 3-جهاز Q-Switch الصوتي البصري؛ 4-مرآة الإخراج م؛ 5-جهاز كريستال LBO؛ 6-العاكس M₂؛ مرآة تركيز 7-457 نانومتر M₃؛ 8-بي بي أو كريستال؛ 9-منشور فاصل الشعاع.

5.1.2 طرق قياس معلمات الليزر

1. الطول الموجي لليزر

في قياس الطول الموجي لخرج الليزر، يتم استخدام مطياف Ocean HR4000CG - UV - NIR، والذي يغطي نطاق طول موجي يتراوح من 200 إلى 1100 نانومتر بدقة 0.75 نانومتر (العرض الكامل بنصف الحد الأقصى)، ويظهر الرسم التخطيطي المادي في الشكل 5.2. أثناء القياس، ينعكس شعاع الليزر أو يمرر من خلال ورقة التوهين إلى مسبار المطياف، وتظهر قيمة الطول الموجي للشعاعالأشعة فوق البنفسجية البعيدة 222 نانومترويلاحظ شعاع الليزر من خلال الشاشة.

الشكل 5.2 المخطط الفيزيائي للمحيط HR4000CG - مطياف الأشعة فوق البنفسجية - NIR

2. تردد تكرار الليزر

حدد كاشفًا ضوئيًا تتطابق استجابته الطيفية مع الطول الموجي الناتج لليزر؛ حدد كاشف ضوئي ومرسمة الذبذبات المناسبة وفقًا لنطاق عرض نبض الإخراج لليزر. نحن نستخدم راسم الذبذبات من طراز Tektronix TDS3054C، الذي يبلغ عرض النطاق الترددي 500 ميجاهرتز ومعدل أخذ العينات 5GS/s، كما هو موضح في الشكل 5.3 (أ). الكاشف الضوئي هو من طراز THORLABS DET10A - كاشف السيليكون، الذي يتراوح نطاق استجابته الطيفية من 200 إلى 1100 نانومتر، ووقت الارتفاع هو 1 نانوثانية، كما هو موضح في الشكل 5.3 (ب).

الشكل 5.3 المخططات المادية لراسم الذبذبات والكاشف الضوئي (أ) راسم الذبذبات (ب) الكاشف الضوئي

دع نبض الليزر يدخل الكاشف الضوئي، واجعل الكاشف الضوئي يعمل في النطاق الخطي. اضبط حساسية راسم الذبذبات وسرعة مسحه بحيث يظهر شكلان موجيان ثابتان لنبض الليزر على شاشة راسم الذبذبات. سجل الفاصل الزمني t بين نبضتين متجاورتين، ثم كرر القياس n (n أكبر من أو يساوي 10) مرات. احسب تردد تكرار النبض f وفقًا للصيغة (5.1): f=1∑i=1ntin (هرتز) f=\\frac{1}{\\frac{\\sum_{i=1}^{n} t_i}{n}} \\ (هرتز) f=n∑i=1n​ti​​1​ (هرتز) حيث: tit_iti​ هو الفاصل الزمني بين نبضتين متجاورتين في القياس i-الوحدة: s; n هو عدد القياسات.

3. عرض نبض الليزر

يمكن أن يشير قياس عرض النبضة إلى خطوات قياس تردد التكرار. دع نبض الليزر يدخل الكاشف الضوئي، ويعمل الكاشف الضوئي في النطاق الخطي. يتم عرض شكل موجة وقت النبض على شاشة راسم الذبذبات. سجل عرض النبضة τi\\tau_iτi​ في هذا الوقت، وكرر القياس n (n أكبر من أو يساوي 10) مرات. احسب عرض النبض τ\\tauτ وفقًا للصيغة (5.2): τ=1n∑i=1nτi (ns) \\tau=\\frac{1}{n} \\sum_{i=1}^{n} \\tau_i \\ (ns) τ=n1​∑i=1n​τi​ (ns) حيث: τi\\tau_iτi​ هو عرض النبضة المقاسة بالقياس i-، الوحدة: s؛ n هو عدد القياسات.

4. قوة الليزر القصوى

عند حساب ذروة الطاقة، نحتاج أولاً إلى قياس متوسط ​​قوة الليزر. هناك نوعان من المجسات المستخدمة للقياس، كما هو مبين في الشكل 5.4. الشكل (أ) عبارة عن مقياس طاقة ليزر OPHIR 30A - BB - 18، مع نطاق قياس يتراوح بين 10 ميجاوات ~ 30 وات ودقة قياس تبلغ 3%. الشكل (ب) هو مقياس طاقة الليزر فوق البنفسجية OPHIR PD300R -، بنطاق قياس يتراوح بين 20pW~300mW ودقة قياس تبلغ 10%.

الشكل 5.4 عدادات طاقة الليزر (أ) OPHIR 30A-BB-18 مقياس طاقة الليزر (ب) مقياس طاقة الليزر OPHIR PD300R-UV

أثناء القياس، قم بمحاذاة مسبار عداد طاقة الليزر مع شعاع الإخراج من الليزر، وقم بتشغيل قوة عداد طاقة الليزر، وحدد نطاقًا مناسبًا، وقم بمعايرة نقطة الصفر الخاصة به. قم بقياس وتسجيل قراءة P لمقياس الطاقة مرة واحدة كل وقت معين وفقًا لمواصفات المنتج، وكرر القياس n (n أكبر من أو يساوي 10) مرات. احسب متوسط الطاقة Pˉ\\bar{P}Pˉ لليزر وفقًا للصيغة (5.3): Pˉ=1n∑i=1npi (W) \\bar{P}=\\frac{1}{n} \\sum_{i=1}^{n} p_i \\ (W) Pˉ=n1​∑i=1n​pi​ (W) حيث: pip_ipi​ هو متوسط الطاقة التي تم الحصول عليها في القياس i-، الوحدة: W؛ n هو عدد القياسات.

بعد الحصول على متوسط قوة الليزر، احسب قوة الذروة PpkP_{pk}Ppk​ وفقًا للصيغة (5.4): Ppk=Pˉf⋅τ (W) P_{pk}=\\frac{\\bar{P}}{f \\cdot \\tau} \\ (W) Ppk​=f⋅τPˉ​ (W) حيث: Pˉ\\bar{P} Pˉ هو متوسط الطاقة، الوحدة: W؛ f هو تردد تكرار النبض، الوحدة: هرتز؛ τ\\tauτ هو عرض النبضة، الوحدة: ns.

5. جودة الشعاع

يتم تمثيل عامل جودة الشعاع بواسطة M²، وصيغة حسابه هي M2=π4lect⋅d0⋅θ M^2=\\frac{\\pi}{4\\lambda} \\cdot d_0 \\cdot \\theta M2=4ππ​⋅d0​⋅θ حيث: d0d_0d0​ هو عرض الخصر أو قطر الخصر، الوحدة: نانومتر؛ θ\\thetaθ هي زاوية انحراف شعاع المجال البعيدة-، الوحدة: mrad؛ χ\\lambdaα هو الطول الموجي لليزر، الوحدة: μm.

يتم استخدام محلل جودة شعاع المسح الضوئي THORLABS BP209 - VIS لقياسأقصى يو في سي 222جودة شعاع الليزر، مع نطاق طول موجي تشغيلي يتراوح من 200 إلى 1100 نانومتر، والذي يمكنه قياس الحزم المستمرة والنبضية بتردد تكرار لا يقل عن 10 هرتز. يمكن ضبط معدل المسح على 2~20 هرتز، كما هو موضح في الشكل 5.5. يحتوي محلل شعاع الشق المسحي على أسطوانة دوارة تحتوي على زوجين أو أكثر من الشقوق المتعامدة بالداخل. تدور الأسطوانة حول المحور البصري، فتغير الشقوق في الاتجاهين X وY أمام الكاشف، بحيث يمر شق المسح عبر المسار البصري. بهذه الطريقة، ترتبط إشارة الطاقة المقاسة بموضع الأسطوانة والشق، حيث يتم حساب قطر الشعاع d وملف تعريف الكثافة.

الشكل 5.5 محلل جودة الشعاع

يظهر نظام اختبار تحليل جودة الشعاع في الشكل 5.6. تتمتع وحدة التحكم في المنصة المتحركة بدقة تبلغ 3μm، والتي تتحكم في طول خطوة محلل جودة الشعاع في كل مرة للحصول على قطر الشعاع did_idi​ في الموضع المقابل. استبدل قيم Z في مواضع مختلفة في اتجاه إرسال شعاع الليزر وأقطار البقعة المقابلة لها في الصيغة (5.6) لحساب قيم المعاملات A وB وC، وهي d2=A+B⋅Z+C⋅Z2 d^2=A + B \\cdot Z + C \\cdot Z^2 d2=A+B⋅Z+C⋅Z2

الشكل 5.6 نظام اختبار تحليل جودة الشعاع

من قيم المعاملات A وB وC، يمكن حساب قطر الخصر الجانبي للكائن - d0d_0d0​، وزاوية انحراف الحزمة θ\\thetaθ، وعامل جودة الحزمة M². صيغ الحساب هي d0=A−B24C d_0=\\sqrt{A - \\frac{B^2}{4C}} d0​=A−4CB2​​ θ=C \\theta=\\sqrt{C} θ=C​ M2=πLA⋅C−B24 M^2=\\frac{\\pi}{\\lambda} \\sqrt{A \\cdot C - \\frac{B^2}{4}} M2=lectπ​A⋅C−4B2​​

5.2 تجربة على ليزر الحالة الصلبة - 222 نانومتر

5.2.1 457نانومتر إخراج ليزر مستمر

تعد طاقة الخرج وجودة شعاع الليزر المستمر 457 نانومتر من العوامل الرئيسية التي تؤثر على أداء خرج النبض واكتسابهالأشعة فوق البنفسجية البعيدة 222الليزر عن طريق مضاعفة تردد التجويف الخارجي، على عكس الناشئة222 نانومتر LEDالتقنيات التي توفر مصادر بديلة بعيدة-للأشعة فوق البنفسجية. وفقًا للبحث النظري في الفصول السابقة، يعمل هذا الإعداد على تحسين الظروف لتحقيق الكفاءةالأشعة فوق البنفسجية البعيدة 222 نانومترالتوليد من خلال أساليب الحالة الصلبة-.