Understand 10w Ultraviolet lasers technology in one article

 

Interest in short-wavelength continuous ultraviolet (UV) light sources has grown over the past decade. The ultraviolet laser with a wavelength range of 200-280 nm and continuous output has the advantages of short wavelength, large photon energy, small diffraction effect, strong resolving power, and small thermal effect.

 

Short-wave UV lasers are very suitable for scientific research, industry, and OEM system integration development, and can be used for fluorescence absorption, Raman spectroscopy, genetic testing, coherent measurement, biochemical, medical diagnosis and treatment, food safety, rapid prototyping, precision micromachining, 3D printing and other applications Provide the ideal light source. The data storage space of disks produced based on short-wave ultraviolet lasers is 20 times higher than that of blue-light lasers. Therefore, Japanese computer hardware manufacturers are working hard to apply short-wave ultraviolet lasers and short-wave ultraviolet laser tubes to computer data storage technology in order to greatly increase the data storage capacity.

 

The reason why short-wave ultraviolet lasers are superior to infrared lasers and visible lasers is that short-wave ultraviolet lasers can directly destroy the chemical bond processing substances that connect the atomic components of substances without destroying the surrounding environment. Typically, CW UV laser applications use conventional gas laser technology or mode-locked solid-state laser technology, but only provide quasi-CW performance. The peak power produced by these mode-locked lasers is usually in the kilowatt range, which severely limits the application of short-wave UV lasers in the biological field.

 

All-Solid-State-Solid-State-Lasertechnologie, die in den letzten zehn Jahren von Laserdioden gepumpt wurde, hat nicht nur die Leistung erhöht, die Modenqualität optimiert, sondern auch zu einer besseren Richtungsstabilität geführt. Im Vergleich zu anderen Lasertypen zeichnet er sich durch hohe Effizienz, zuverlässige Leistung, bessere Strahlqualität und stabile Leistung aus.

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In Zukunft wird die kurzwellige Ultraviolett-Lasertechnologie zur Entwicklung einer neuen Generation von Nanotechnologie, Materialwissenschaften, Biotechnologie, chemischer Analytik, Plasmaphysik und anderen Disziplinen führen. Vom kurzwelligen Ultraviolettlaser zum Infrarotlaser wird die optoelektronische Technologie zu einer wichtigen Grundlage für die menschliche Entwicklung, und die kurzwellige Ultraviolettlasertechnologie wird zu einem neuen Forschungs- und Anwendungs-Hotspot.

 

261 nm Kurzwellen-CW-UV-Lasertechnologie

 

Traditionelle Art, kurzwellige UV-Laserlinien zu erzeugen

 

Aufgrund der hohen Energie von kurzwelligen ultravioletten Photonen ist es schwierig, einen bestimmten hochenergetischen kontinuierlichen kurzwelligen ultravioletten Laser durch die Anregung einer externen Anregungsquelle zu erzeugen. Daher wird der kurzwellige kontinuierliche Ultraviolettlaser im Allgemeinen durch das Frequenzumwandlungsverfahren mit nichtlinearem Effekt von Kristallmaterialien erzeugt. Es gibt im Allgemeinen zwei Methoden für die Spektrallinienerzeugung herkömmlicher Festkörper-Kurzwellen-UV-Laser:

 

Führen Sie direkt eine 3- oder 4-Frequenzverdopplung des Infrarot-All-Solid-State-Lasers in der Kavität oder außerhalb der Kavität durch, um das kurzwellige ultraviolette Laserspektrum zu erhalten;

Verwenden Sie zuerst die Frequenzverdopplungstechnik, um die zweite Harmonische zu erhalten, und verwenden Sie dann die Summenfrequenztechnik, um das Spektrum des kurzwelligen ultravioletten Lasers zu erhalten. Wenn das von dem Nd:YAG/Nd:YVO4-Laserkristall abgestrahlte Licht mit einer Grundfrequenz von 1064 nm zur Frequenzverdopplung verwendet wird, um ein Laserlicht von 532 nm auszugeben, müssen das Licht mit einer Grundfrequenz von 1064 nm und das Licht mit verdoppelter Frequenz von 532 nm wie neu verwendet werden Grundfrequenzlicht, um die Nichtlinearität erneut zu passieren. Der Prozess gibt einen 355-nm-UV-Laser aus. Üblicherweise ist der effektive nichtlineare Koeffizient klein und die Umwandlungseffizienz gering.

 

Das dreiwertige Praseodymium-Ion (Pr3+) hat als Seltenerdelement-Ion, das durch Abwärtskonvertierung direkt eine sichtbare Lichtausgabe erreichen kann, viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, und sein Energieniveauübergang ist in Abbildung 1 dargestellt. Pr3+-dotierte Materialien können sichtbares Licht in mehreren Farben erzeugen, einschließlich tiefrot (ungefähr 698 nm und 720 nm), rot (ungefähr 640 nm), orange (ungefähr 605 nm), grün (ungefähr 522 nm) und blau (ungefähr 522 nm). 490 Nanometer). Mit der Entwicklung von InGaN-Halbleiterlasern können leistungsstarke, kompakte Festkörperlaser im sichtbaren Lichtband realisiert werden. Ein weiterer Vorteil dieses Lasers für sichtbares Licht besteht darin, dass er durch Intracavity-Frequenzverdopplung kontinuierliche kurzwellige UV-Laser erzeugen kann.

 

Technisches Schema zur Realisierung eines kurzwelligen Ultraviolett-Ausgangslasermodus durch Einzelfrequenzverdopplung

 

Kontinuierliche Kurzwellen-Ultraviolettlaser müssen sich auf Resonatoren verlassen, um eine kontinuierliche und stabile Ausgabe von Ultraviolettlasern zu erreichen, was höhere Anforderungen an das Resonatordesign, die Modenanpassung, die Licht-zu-Optik-Umwandlungseffizienz und die Schadensbeständigkeit optischer Filme erfordert und technisch schwierig ist . Um die Mängel der bestehenden Technologie zu überwinden, stellt Changchun New Industry Optoelectronics Technology Co., Ltd. einen Lasermodus bereit, der eine kurzwellige Ultraviolettausgabe durch Einzelfrequenzverdopplung realisiert, die Grundfrequenzlicht in frequenzverdoppelte Lichtausgabe umwandeln kann durch a zweiten nichtlinearen Prozess, und dann realisieren. Eine wirklich hocheffiziente Ausgangslaserdiode pumpt direkt einen Intracavity-Frequenzverdopplungs-Kurzwellen-UV-Festkörperlaser. Die angenommenen technischen Lösungen sind wie folgt:

 

Durch Optimieren der Parameter des Hohlraumtyps des optischen Resonators, der Hohlraumlänge und der Spiegelkrümmung wird eine optische Struktur entworfen, die die Eingangsanforderungen des Entwurfs erfüllt;

 

Durch Optimierung des Designs optischer Dünnschichten werden hochwertige optische Dünnschichten durch Ionensputter-Abscheidungsverfahren hergestellt. Verbessern Sie in Kombination mit dem tatsächlichen Debugging-Effekt kontinuierlich die Beschichtungsqualität optischer Kristalle und Linsen, reduzieren Sie den Verlust im Hohlraum, verbessern Sie die Ausgangseffizienz des Lasers und schaffen Sie Bedingungen für die stabile Resonanz der Laserwellenlänge.

Durch die Optimierung von Parametern wie Lasermedium und nichtlinearem Kristallmaterial, Konzentration, Länge usw. kann die beste Leistung erzielt werden;

 

Durch die Optimierung des mechanischen Strukturdesigns ist es bequemer, die Laserkomponenten zu befestigen; Optimieren des modularen Strukturdesigns ohne Installation und Anpassung, so dass die industrietaugliche Zuverlässigkeit kontinuierlich erhöht wird; Reduzieren des Volumens des Lichtquellenmoduls und Erhöhen der Beständigkeit gegen thermische Beschädigung bei kontinuierlichem Betrieb; Verbesserung der optisch-mechanischen Struktur Anti-Vibrationsfähigkeit und Gerätelebensdauer zur Gewährleistung der Qualität von Laserprodukten;

 

Die elektrische Laserstromversorgung und der Temperaturregelkreis verwenden digitale Technologie, um die Designfunktionen von kleiner Größe, geringem Rauschen und Anti-Interferenz zu realisieren. Durch die photoelektrische Feedback-Technologie wird die selbstadaptive Anpassung der Ausgangsleistung des Lasers realisiert und die Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit des Lasers verbessert.

 

Durch Schlüsseltechnologien wie die Integration von Pumpquellen für kurzwellige CW-UV-Laser, das Resonatordesign, die Modenanpassung, die nichtlineare Frequenzumwandlung und die Herstellung optischer Filme wurden Durchbrüche bei technischen Problemen wie Dauerbetrieb, hoher Wirkungsgrad und Hochleistungs-Langzeitstabilität erzielt Betrieb von kurzwelligen UV-Lasern

 

Intracavity frequenzverdoppelter kurzwelliger ultravioletter Festkörperlaser

 

Der Laser ist ein direkt von einer Laserdiode gepumpter resonatorinterner frequenzverdoppelnder kurzwelliger ultravioletter Festkörperlaser, wie in Abbildung 3 gezeigt. Er besteht hauptsächlich aus einem Halbleiterlaser (LD), einem pumpenden optischen Formungsspiegel und einer optischen Kopplungsspiegelgruppe zum Pumpen , Laserverstärkungsmedium (Pr3+-Kristall), nichtlinearer Frequenzverdopplungskristall (BBO) und zwei plankonkave Spiegel. Der Laser verwendet einen gefalteten V-förmigen Resonator.

 

Gefaltete Resonatoren können zwei optimale Strahltaillen liefern, in nichtlinearen Kristallen bzw. in Laserverstärkungsmedien. Eine Strahltaille kann die Modenanpassungsbedingung erfüllen, und die andere kann die Frequenzverdopplungseffizienz verbessern. Die LD emittiert Laserlicht mit einer Wellenlänge von 444 nm entsprechend der Absorption des Pr3+-Kristalls, und die optische Verteilung der LD wird durch die pumpende optische Formungsspiegelgruppe geformt und dann durch den pumpenden optischen Kopplungsspiegel in den Pr3+-Kristall injiziert Gruppe. Die transparenten Oberflächen des Pr3+-Kristalls sind parallel zueinander und koaxial zum Resonator.

 

Der nichtlineare BBO-Kristall verdoppelt die Frequenz des 522-nm-Grundfrequenzlichts in der Kavität, um eine kontinuierliche 261-nm-Kurzwellen-Ultraviolett-Laserausgabe ganz im Festkörperzustand zu realisieren. Gefaltete Resonatoren können sehr kompakt gebaut werden, was zu mechanischer Stabilität führt. Die Erzeugung der gesamten zweiten Harmonischen (SHG) wird durch Resonatorspiegelreflexion in einer Richtung erreicht, ohne das zusätzliche Risiko, dass UV-Licht durch das Verstärkungsmaterial dringt, wodurch dessen optische Verschlechterung verhindert wird. Darüber hinaus werden Pr3+-Kristalle, nichtlineare Kristalle und LDs alle streng und präzise mit einem Halbleiterkühler (TEC) temperaturgeregelt, um einen stabilen Betrieb des Lasers zu erreichen.

 

Da sowohl der Laserkristall als auch der Frequenzumwandlungskristall eine bestimmte Schadensschwelle haben, wird der UV-Frequenzumwandlungskristall während des Gebrauchs leicht durch ultraviolettes Licht beschädigt. Der durch den ultravioletten Strahl zerstörte Bereich des Kristalls macht nur einen kleinen Teil der Kristallquerschnittsfläche aus, aber der Laser muss immer noch repariert oder ersetzt werden, was zu einer großen Verschwendung von Arbeitskräften und materiellen Ressourcen führt verkürzt die Gesamtlebensdauer des Ultraviolett-Festkörperlasers. Kann die Anforderungen eines stabilen Langzeitbetriebs nicht erfüllen.

 

RFH LASER verbessert die Lebensdauer von Hochleistungs-UV-Lasern. Basierend auf dem Design des Resonanzhohlraums, der Frequenzverdopplungssteuerung, der Wärmekompensation im Hohlraum und der Kühlsteuerung usw. wird durch Hinzufügen einer mechanischen Ablenkvorrichtung im Resonanzhohlraum während der Verwendung des Lasers der Frequenzverdopplungskristall verschoben Intervalle, um die Langzeitwirkung des Lichtwegs zu vermeiden. An gleicher Stelle am frequenzverdoppelnden Kristall wird die Lebensdauer des kurzwelligen UV-Lasers verdoppelt.

 

UV-F-261 ist ein Dauerbetriebslaser im kurzwelligen ultravioletten 261-nm-Band. Seine Mittenwellenlänge beträgt 261,37 nm, die Laserausgangsleistung übersteigt 100 mW, die Laserleistungsstabilität ist besser als 1 % und das Laseramplitudenrauschen ist besser als 0,5 %. Der Laser hat die Eigenschaften einer hervorragenden Laserleistung (einschließlich Laserleistung, Stabilität, Strahlqualität, Lebensdauer usw.), einer einfachen Struktur und einer starken Anpassungsfähigkeit an die Umwelt (einschließlich Stoßfestigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit usw.).

 

Als neue Anwendungen im Bereich der Raman-Spektroskopie tauchen kurzwellige UV-Laser auf. Ultraviolett-Raman-Spektroskopie vermeidet Fluoreszenzinterferenz, hat eine hohe Empfindlichkeit, und das Raman-Signal kann durch das stark verbreiterte Resonanz-Raman-Signal verstärkt werden. Anwendungen der Raman-Spektroskopie in den Bereichen Physik, Chemie, Biologie und Materialien. Die Gruppe des Akademikers Li Can vom Dalian Institute of Chemistry der Chinesischen Akademie der Wissenschaften verwendete den UV-F-261-Kurzwellen-Ultraviolettlaser für die Struktur, Synthese, katalytische Charakterisierung und In-situ-Charakterisierung von Molekularsieben und Heteroatom-Molekularsieben. und wichtige Ergebnisse erzielt.

 

 

Anwendung von Lasern im Ultraviolett-Raman-Spektrometer und in der Ultraviolett-Raman-Spektroskopie

 

Derzeit ist bekannt, dass in China die Entwicklung eines 261-nm-Kurzwellen-Ultraviolettlasers durchgeführt wird. Dieses Produkt kann die Anforderungen der Raman-Spektroskopie im tiefen Ultraviolett, der Ultraviolett-Lithographie, der Fluoreszenzanregung und anderer Bereiche erfüllen, die Marktlücke schließen und die Entwicklung der Laserfeinbearbeitung, der Spektralanalyse und anderer Bereiche fördern.