Derin Ultraviyole 222 nm Lamba-Pompalanan Katı-Durum Lazer Üzerinde Deneysel Çalışma
5.2.2 Sürekli-Dalga 222 nm Lamba Lazer Çıkışı
457 nm sürekli-dalga lazerinin frekansı, Tip-I faz-eşleştirilmiş bir BBO kristali kullanılarak boşluğun dışında-iki katına çıkarıldı. Ekstra boşluk frekansının iki katına çıkarılması için basit bir mercek-odaklama şeması benimsendi. 457 nm lazerin ikinci harmonik üretim (SHG) verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için Boyd ve Kleinman tarafından tanımlanan en uygun odaklanma koşulu takip edildi [1]:
2Z_R L = 2.84 (5.10)
burada L doğrusal olmayan kristalin uzunluğudur ve Z_R odaklanmış ışının Rayleigh uzunluğudur. Bu duruma ve 457 nm çıkışın ölçülen ışın kalitesine dayanarak, odaklama merceği M3'ün uygun odak uzaklığı, BBO kristal uzunluğu ve bunların göreceli konumları seçildi. Bu deneyde odaklama merceği M3'ün odak uzaklığı 150 mm'dir ve BBO kristal uzunluğu 8 mm'dir.
457 nm sürekli-dalga lazeri, M3 merceği tarafından odaklandı ve 222 nm lamba derinliğinde-ultraviyole lazer üretmek için BBO kristalinden geçti. Lazer spektrumu, Şekil 5.10'da gösterildiği gibi bir Ocean HR4000CG-UV-NIR spektrometresi kullanılarak ölçülmüştür. Spektrum, 457 nm temel, 222 nm lamba ikinci-harmoniğini ve kalan 808 nm pompa hatlarını açıkça göstermektedir. Bir dikroik ışın ayırıcıdan geçtikten sonra, ayrılmış 457 nm ve 222 nm lamba ışınları, Şekil 5.11'de gösterildiği gibi beyaz kağıt üzerinde görünür floresans noktalar üretti.
Giriş 457 nm sürekli-dalga gücü 2,6 W olduğunda, 222 nm lamba derin-ultraviyole lazerin çıkış gücü 6 mW'a ulaştı. 222 nm lamba çıkış gücü ile enjekte edilen 457 nm güç arasındaki ilişki Şekil 5.12'de gösterilmektedir. Şekil 5.13, THORLABS BP209-VIS tarama yarık ışın profili oluşturucuyla ölçülen, maksimum çıkış gücünde 222 nm lamba lazerinin ışın profilini gösterir. BBO kristalinde üretilen 222 nm ikinci harmonik ışığın büyük uzaklaşma açısı nedeniyle ışın eliptikti. Şekil 5.14, 222 nm lamba lazerinin 6 mW çıkış gücünde 2 saatlik stabilite testini gösterir; %2,2 güç stabilitesi sağlar.
5.2.3 457 nm Darbeli Lazer Çıkışı
222 nm lamba lazeri üretmek için ekstra boşluk frekansını-ikiye katlayarak verimliliği artırmak için, yukarıda açıklanan 457 nm sürekli-dalga lazeri üzerine inşa edilen bir akustik-optik Q-anahtarı rezonatörün L1 koluna yerleştirildi. Q-anahtarını etkinleştirmeden önce, akustik-optik Q-anahtarı kristalinin konumu ve açısı, salınımlı ışının optimum kırınım bölgesinden geçmesini sağlamak için dikkatlice ayarlandı, böylece 457 nm sürekli-dalga çıkış gücü, Q-anahtarının olmadığı durumla karşılaştırıldığında neredeyse değişmeden kaldı.
En yüksek tepe gücüne (457 nm darbeli lazer) ulaşmak için tekrarlama hızı 5 kHz, 10 kHz, 15 kHz ve 20 kHz'e ayarlandı ve farklı pompa güçlerinde ortalama çıkış gücü ve darbe genişliği ölçüldü. Performans 5 kHz ve 20 kHz'de zayıftı çünkü bu lazer için çok yüksek veya çok düşük tekrarlama oranları, ters çevrilmiş popülasyonun verimli bir şekilde lazer çıkışına dönüştürülmesi açısından elverişsizdi.
Şekil 5.15 ve 5.16, sırasıyla 10 kHz ve 15 kHz tekrarlama hızlarında enjekte edilen pompa gücünün fonksiyonları olarak 457 nm darbeli lazerin ortalama gücünü ve darbe genişliğini göstermektedir. Ortalama güç pompa gücüyle artarken darbe genişliği azaldı:
10 kHz tekrarlama hızında ve 41 W pompa gücünde maksimum ortalama güç, 1,2 kW tepe gücüne karşılık gelen 50 ns darbe genişliğinde 600 mW idi.
15 kHz tekrarlama hızında ve 41 W pompa gücünde maksimum ortalama güç, 62 ns darbe genişliğinde ve 710 W tepe gücüne karşılık gelen 661 mW idi.
457 nm darbeli lazerin en yüksek tepe gücü bu nedenle 10 kHz tekrarlama hızında elde edildi. Şekil 5.17, 10 kHz ve 600 mW ortalama güçte ışın profilini ve ışın kalitesini göstermektedir. Lazer TEM₀₀ modunda çalışıyordu, ancak V- şeklindeki boşluktaki açılı katlanır aynanın neden olduğu astigmatizma nedeniyle nokta biraz eliptikti. Farklı konumlardaki ışın yarıçapı verileri ikinci dereceden bir fonksiyonla birleştirildiğinde, M² faktörleri yaklaşık 1,15 (yatay) ve 1,31 (dikey) olmuştur.
5.2.4 222 nm Lamba Derinliğinde-Ultraviyole Darbeli Lazer Çıkışı
En yüksek tepe gücünü sağlayan optimize edilmiş 457 nm darbeli lazer (pompa nokta yarıçapı ≈ 200 μm, kol uzunlukları L1 ≈ 83 mm ve L2 ≈ 31 mm, tekrarlama oranı 10 kHz) kullanılarak, 222 nm lamba darbeli lazer üretmek için aynı BBO kristali ile frekans iki katına çıkarıldı.
Darbeli 457 nm lazerin ışın kalitesi, sürekli-dalga durumundan biraz farklı olduğundan, M3 odaklama merceğinin ve BBO kristalinin konumları, Rayleigh uzunluğunun kristal uzunluğuyla eşleştiğinden emin olmak için hassas-ayarlandı, böylece SHG verimliliği en üst düzeye çıkarıldı. Sonuçta, maksimum ortalama gücü 35 mW ve darbe genişliği 36 ns (doğrudan dedektörde ölçülen) olan 222 nm'lik bir lamba darbeli lazer elde edildi. Ultraviyole lazer spektrumu Şekil 5.18'de gösterilmektedir. 222 nm lambalı darbeli lazerin ortalama çıkış gücü, Şekil 5.19'da gösterildiği gibi enjekte edilen 457 nm darbeli güçle arttı. Şekil 5.20, en yüksek ortalama çıkış gücünde 222 nm lambalı darbeli lazerin ışın noktasını göstermektedir.
Şekil Başlıkları (çevrilmiş)
İncir. 5.9Maksimum çıkış gücünde 457 nm sürekli-dalga lazerin ışın kalitesi ve nokta profili (renk plakasına bakın): "● x-M² yönü=1.2, ■ y-M² yönü=1.13" olarak etiketlenmiştir; x-ekseni: yayılma ekseni boyunca konum (mm); y-ekseni: ışın çapı (mm).
İncir. 5.10Lazer spektrumu; x-ekseni: Dalgaboyu (nm); y-ekseni: Yoğunluk.
İncir. 5.11Beyaz kağıt üzerinde uyarılan floresans noktalar: "dikroik ışın ayırıcı, 457 nm, 222 nm lamba" olarak etiketlenmiştir.
İncir. 5.12222 nm lambanın sürekli-dalga çıkış gücü ile enjekte edilen 457 nm gücün karşılaştırması; x-ekseni: 457 nm enjekte edilen güç (W); y-ekseni: 222 nm lamba çıkış gücü (mW).
İncir. 5.13Maksimum güçte 222 nm lambalı sürekli-dalga lazerinin ışın profili (renkli plakaya bakın).
İncir. 5.142 saat boyunca 6 mW'ta 222 nm lambalı sürekli-dalga lazerinin stabilite testi; x-ekseni: süre (dak); y-ekseni: ortalama güç (mW).
İncir. 5.1510 kHz tekrarlama hızında, 457 nm darbeli lazer ortalama gücü ve darbe genişliği ile pompa gücüne karşı; "f=10 kHz" olarak etiketlenmiştir.
İncir. 5.1615 kHz tekrarlama hızında, 457 nm darbeli lazer ortalama gücü ve darbe genişliği ile pompa gücüne karşı.
İncir. 5.1710 kHz ve 600 mW ortalama güçte 457 nm darbeli lazerin ışın profili ve ışın kalitesi (renk plakasına bakın): "● x-M² yönü=1.15, ■ y-M² yönü=1.32" ile etiketlenmiştir; x-ekseni: yayılma ekseni boyunca konum (mm); y-ekseni: ışın çapı (mm).
İncir. 5.18Ultraviyole lazer spektrumu; x-ekseni: dalga boyu (nm); y-ekseni: yoğunluk.
İncir. 5.1910 kHz'de, 222 nm lamba darbeli lazer ortalama çıkış gücü ve enjekte edilen 457 nm darbeli güç; x-ekseni: 457 nm enjekte edilen güç (mW); y-ekseni: 222 nm lamba çıkış gücü (mW).
İncir. 5.20Maksimum ortalama güçte 222 nm lamba darbeli lazerin ışın noktası.
