دراسة تجريبية على مصباح الأشعة فوق البنفسجية العميقة 222 نانومتر -حالة الليزر الصلبة-
5.2.2 مستمر -موجة 222 نانومتر مخرج ليزر للمصباح
كان تردد الليزر المستمر - الذي يبلغ طوله 457 نانومتر - مضاعفًا خارج التجويف باستخدام بلورة BBO من النوع -I المرحلة- المتطابقة. تم اعتماد نظام تركيز بسيط للعدسة- لمضاعفة تردد الجاذبية الإضافية. لتعظيم كفاءة الجيل التوافقي الثاني (SHG) لليزر 457 نانومتر، تم اتباع حالة التركيز المثالية التي حددها Boyd وKleinman [1]:
2Z_R L = 2.84 (5.10)
حيث L هو طول البلورة غير الخطية، وZ_R هو طول رايلي للحزمة المركزة. بناءً على هذا الشرط وجودة الشعاع المُقاسة لإخراج 457 نانومتر، تم اختيار الطول البؤري المناسب لعدسة التركيز M3 وطول بلورة BBO ومواضعها النسبية. في هذه التجربة، كان لعدسة التركيز M3 طول بؤري قدره 150 مم، وكان طول بلورة BBO 8 مم.
تم تركيز موجة الليزر المستمرة - بطول 457 نانومتر بواسطة العدسة M3 وتمريرها عبر بلورة BBO لتوليد ضوء ليزر فوق بنفسجي بعمق 222 نانومتر -. تم قياس طيف الليزر باستخدام مطياف Ocean HR4000CG-UV-NIR، كما هو موضح في الشكل 5.10. يُظهر الطيف بوضوح الخط الأساسي 457 نانومتر، والمصباح التوافقي الثاني 222 نانومتر، وخطوط المضخة المتبقية 808 نانومتر. بعد المرور عبر مقسم شعاع مزدوج اللون، أنتجت حزم المصابيح المنفصلة بطول 457 نانومتر و222 نانومتر بقعًا فلورية مرئية على ورق أبيض، كما هو موضح في الشكل 5.11.
عندما كانت طاقة الموجة المستمرة - المدخلة 457 نانومتر 2.6 وات، وصلت طاقة الخرج لمصباح الليزر فوق البنفسجي العميق - بمصباح 222 نانومتر إلى 6 ميجاوات. تظهر العلاقة بين طاقة خرج المصباح 222 نانومتر والطاقة المحقونة 457 نانومتر في الشكل 5.12. يوضح الشكل 5.13 ملف تعريف شعاع ليزر المصباح بطول 222 نانومتر بأقصى طاقة خرج، تم قياسها باستخدام ملف تعريف شعاع الشق THORLABS BP209-VIS. كان الشعاع بيضاوي الشكل نظرًا للزاوية الكبيرة-للخروج من الضوء التوافقي الثاني الذي يبلغ طوله 222 نانومتر والذي تم توليده في بلورة BBO. يوضح الشكل 5.14 اختبار ثبات ليزر المصباح بطول 222 نانومتر على مدار ساعتين بقدرة خرج تبلغ 6 ميجاوات، مما يؤدي إلى استقرار طاقة بنسبة 2.2%.
5.2.3 457 نانومتر مخرج ليزر نبضي
لزيادة تردد التجويف الإضافي- ومضاعفة الكفاءة لتوليد ليزر مصباح بطول 222 نانومتر، تم إدخال مفتاح صوتي -Q- صوتي في الذراع L1 للمرنان، بناءً على موجة الليزر المستمرة - التي تبلغ 457 نانومتر الموصوفة أعلاه. قبل تمكين مفتاح Q-، تم ضبط موضع وزاوية بلورة مفتاح Q - الضوئية - الصوتية بعناية لضمان مرور الشعاع المتذبذب عبر منطقة الحيود المثالية، بحيث تظل طاقة خرج الموجة - المستمرة البالغة 457 نانومتر دون تغيير تقريبًا مقارنة بالحالة بدون مفتاح Q-.
لتحقيق أعلى طاقة ليزر نبضي تبلغ 457 نانومتر، تم ضبط معدل التكرار على 5 كيلو هرتز و10 كيلو هرتز و15 كيلو هرتز و20 كيلو هرتز، وتم قياس متوسط طاقة الخرج وعرض النبض عند قوى مضخة مختلفة. كان الأداء ضعيفًا عند 5 كيلو هرتز و20 كيلو هرتز، لأنه بالنسبة لهذا الليزر، فإن معدلات التكرار التي تكون مرتفعة جدًا أو منخفضة جدًا غير مواتية لتحويل المجموعة المقلوبة بكفاءة إلى مخرج ليزر.
يوضح الشكلان 5.15 و5.16 متوسط الطاقة وعرض النبض لليزر النبضي 457 نانومتر كوظائف لطاقة المضخة المحقونة بمعدلات تكرار تبلغ 10 كيلو هرتز و15 كيلو هرتز، على التوالي. يزداد متوسط الطاقة مع زيادة طاقة المضخة، بينما ينخفض عرض النبضة:
عند معدل تكرار 10 كيلو هرتز وطاقة مضخة 41 واط، كان الحد الأقصى لمتوسط الطاقة 600 ميجاوات، مع عرض نبض قدره 50 نانوثانية، وهو ما يعادل قدرة ذروة تبلغ 1.2 كيلووات.
عند معدل تكرار 15 كيلو هرتز وطاقة مضخة 41 وات، كان الحد الأقصى لمتوسط الطاقة 661 ميجاوات، مع عرض نبض قدره 62 نانوثانية، وهو ما يعادل قدرة ذروة تبلغ 710 وات.
وبالتالي تم الحصول على أعلى قوة ذروة لليزر النبضي 457 نانومتر بمعدل تكرار قدره 10 كيلو هرتز. يوضح الشكل 5.17 ملف تعريف الحزمة وجودة الحزمة عند 10 كيلو هرتز ومتوسط قدرة 600 ميجاوات. يعمل الليزر في وضع TEM₀₀، لكن البقعة كانت بيضاوية الشكل قليلاً بسبب الاستجماتيزم الذي أحدثته المرآة القابلة للطي الزاوية في التجويف على شكل V-. ومن خلال تركيب بيانات نصف قطر الشعاع في مواضع مختلفة باستخدام دالة تربيعية، كانت عوامل M² تقريبًا 1.15 (أفقيًا) و1.31 (عموديًا).
5.2.4 222 نانومتر عمق المصباح-مخرج ليزر نبضي فوق بنفسجي
باستخدام الليزر النبضي المُحسّن 457 نانومتر (نصف قطر بقعة المضخة ≈ 200 ميكرومتر، أطوال الذراع L1 ≈ 83 مم و L2 ≈ 31 مم، معدل التكرار 10 كيلو هرتز) الذي يوفر أعلى طاقة ذروة، تم إجراء مضاعفة التردد باستخدام نفس كريستال BBO لتوليد 222 نانومتر مصباح ليزر نابض.
نظرًا لأن جودة شعاع الليزر النبضي 457 نانومتر تختلف قليلاً عن حالة الموجة المستمرة-، فقد تم ضبط مواضع عدسة التركيز M3 وبلورة BBO بشكل جيد- لضمان تطابق طول رايلي مع طول البلورة، وبالتالي زيادة كفاءة SHG إلى الحد الأقصى. في النهاية، تم الحصول على ليزر نبضي بمصباح 222 نانومتر بمتوسط قدرة قصوى يبلغ 35 ميجاوات وعرض نبضة يبلغ 36 نانو ثانية (يتم قياسه مباشرة عند الكاشف). يظهر طيف الليزر فوق البنفسجي في الشكل 5.18. زاد متوسط طاقة الخرج لليزر النبضي للمصباح 222 نانومتر مع الطاقة النبضية المحقونة 457 نانومتر، كما هو موضح في الشكل 5.19. يوضح الشكل 5.20 نقطة شعاع الليزر النبضي للمصباح 222 نانومتر عند أعلى متوسط لطاقة الخرج.
التسميات التوضيحية للصورة (مترجمة)
شكل . 5.9جودة الشعاع والملف الجانبي الموضعي لليزر الموجي المستمر - بطول 457 نانومتر بأقصى طاقة خرج (انظر لوحة الألوان): المسمى "● x-الاتجاه M²=1.2، ■ y-الاتجاه M²=1.13"; المحور x-: الموضع على طول محور الانتشار (مم)؛ المحور y-: قطر الشعاع (مم).
شكل . 5.10طيف الليزر؛ المحور x-: الطول الموجي (نانومتر)؛ المحور ص-: الشدة.
شكل . 5.11بقع مضان متحمسة على ورق أبيض: تسمى "مقسم شعاع مزدوج اللون، 457 نانومتر، مصباح 222 نانومتر".
شكل . 5.12طاقة خرج الموجة المستمرة للمصباح 222 نانومتر - مقابل طاقة 457 نانومتر المحقونة؛ المحور x-: الطاقة المحقونة 457 نانومتر (W) ؛ المحور y-: طاقة خرج المصباح 222 نانومتر (ميجاواط).
شكل . 5.13ملف تعريف شعاع الليزر الموجه للمصباح 222 نانومتر المستمر- بأقصى طاقة (انظر لوحة الألوان).
شكل . 5.14اختبار الثبات لليزر الموجي المستمر - للمصباح بطول 222 نانومتر عند 6 ميجاوات على مدار ساعتين؛ المحور x-: الوقت (دقيقة)؛ المحور y-: متوسط القدرة (مليواط).
شكل . 5.15بمعدل تكرار 10 كيلو هرتز، متوسط طاقة الليزر النبضي 457 نانومتر وعرض النبض مقابل طاقة المضخة؛ المسمى "f=10 كيلو هرتز".
شكل . 5.16عند معدل تكرار 15 كيلو هرتز، يبلغ متوسط طاقة الليزر النبضي 457 نانومتر وعرض النبضة مقابل طاقة المضخة.
شكل . 5.17ملف تعريف الشعاع وجودة الشعاع لليزر النبضي 457 نانومتر عند 10 كيلو هرتز ومتوسط طاقة 600 ميجاوات (انظر لوحة الألوان): المسمى "● x - الاتجاه M² =1.15، ■ y - الاتجاه M² =1.32"؛ المحور x-: الموضع على طول محور الانتشار (مم)؛ المحور y-: قطر الشعاع (مم).
شكل . 5.18طيف الليزر فوق البنفسجي؛ المحور x-: الطول الموجي (نانومتر)؛ المحور ص-: الشدة.
شكل . 5.19عند 10 كيلو هرتز، متوسط طاقة خرج الليزر النبضي للمصباح 222 نانومتر مقابل الطاقة النبضية المحقونة 457 نانومتر؛ المحور x-: 457 نانومتر من الطاقة المحقونة (ميجاواط)؛ المحور y-: طاقة خرج المصباح 222 نانومتر (ميجاواط).
شكل . 5.20بقعة شعاع ليزر نبضي بمصباح 222 نانومتر بأقصى متوسط للطاقة.
