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.

 

La tecnología láser de estado sólido de estado sólido bombeada por diodos láser en la última década no solo aumentó la potencia y optimizó la calidad del modo, sino que también dio como resultado una mejor estabilidad direccional. En comparación con otros tipos de láseres, tiene las características de alta eficiencia, rendimiento confiable, mejor calidad de haz y potencia estable.

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En el futuro, la tecnología láser ultravioleta de onda corta conducirá al desarrollo de una nueva generación de nanotecnología, ciencia de los materiales, biotecnología, análisis químico, física del plasma y otras disciplinas. Desde el láser ultravioleta de onda corta hasta el láser infrarrojo, la tecnología optoelectrónica se convertirá en una base importante para el desarrollo humano, y la tecnología láser ultravioleta de onda corta se está convirtiendo en un nuevo foco de investigación y aplicación.

 

Tecnología láser UV CW de onda corta de 261 nm

 

Forma tradicional de generar líneas láser UV de onda corta

 

Debido a la alta energía de los fotones ultravioleta de onda corta, es difícil generar un cierto láser ultravioleta de onda corta continuo de alta potencia a través de la excitación de una fuente de excitación externa. Por lo tanto, el láser ultravioleta continuo de onda corta generalmente se genera mediante el método de conversión de frecuencia de efecto no lineal de materiales de cristal. En general, existen dos métodos para la generación tradicional de líneas espectrales de láser UV de onda corta de estado sólido:

 

Realice directamente la duplicación de 3 o 4 frecuencias del láser infrarrojo de estado sólido en la cavidad o fuera de la cavidad para obtener el espectro del láser ultravioleta de onda corta;

Primero use la técnica de duplicación de frecuencia para obtener el segundo armónico y luego use la técnica de suma de frecuencia para obtener el espectro láser ultravioleta de onda corta. Si la luz de frecuencia fundamental de 1064 nm radiada por el cristal láser Nd:YAG/Nd:YVO4 se usa para duplicar la frecuencia para emitir luz láser de 532 nm, la luz de frecuencia fundamental de 1064 nm y la luz de frecuencia duplicada de 532 nm deben usarse como nuevas luz de frecuencia fundamental para pasar a través de la no linealidad de nuevo. El proceso genera un láser UV de 355 nm. Por lo general, el coeficiente no lineal efectivo es pequeño y la eficiencia de conversión es baja.

 

El ion de praseodimio trivalente (Pr3+) ha atraído mucha atención como un ion de elemento de tierras raras que puede lograr directamente una salida de luz visible a través de la conversión descendente, y su transición de nivel de energía se muestra en la Figura 1. Los materiales dopados con Pr3+ pueden producir luz visible en varios colores, incluyendo rojo intenso (aproximadamente 698 nm y 720 nm), rojo (aproximadamente 640 nm), naranja (aproximadamente 605 nm), verde (aproximadamente 522 nm) y azul (aproximadamente 522 nm). 490nm). Con el desarrollo de los láseres semiconductores InGaN, se pueden realizar láseres de estado sólido compactos y de alta potencia en la banda de luz visible. Otra ventaja de este láser de luz visible es que puede generar láseres UV continuos de onda corta mediante la duplicación de la frecuencia intracavitaria.

 

Esquema técnico para realizar el modo láser de salida ultravioleta de onda corta mediante duplicación de frecuencia única

 

Los láseres ultravioleta continuos de onda corta deben depender de los resonadores para lograr una salida continua y estable de los láseres ultravioleta, lo que requiere mayores requisitos para el diseño del resonador, la coincidencia de modos, la eficiencia de conversión de luz a óptica y la resistencia al daño de las películas ópticas, y es técnicamente difícil. . Con el fin de superar las deficiencias de la tecnología existente, Changchun New Industry Optoelectronics Technology Co., Ltd. proporciona un modo láser que realiza una salida ultravioleta de onda corta mediante la duplicación de frecuencia única, que puede convertir la luz de frecuencia fundamental en una salida de luz de frecuencia duplicada a través de un segundo proceso no lineal, y luego realizar Un diodo láser de salida verdaderamente de alta eficiencia bombea directamente un láser de estado sólido UV de onda corta que duplica la frecuencia intracavidad. Las soluciones técnicas adoptadas son las siguientes:

 

Al optimizar los parámetros del tipo de cavidad del resonador óptico, la longitud de la cavidad y la curvatura del espejo, se diseña una estructura óptica que cumple con los requisitos de entrada del diseño;

 

Al optimizar el diseño de películas ópticas delgadas, se fabrican películas ópticas delgadas de alta calidad mediante el método de deposición por pulverización iónica. Combinado con el efecto de depuración real, mejora continuamente la calidad del recubrimiento de los cristales y lentes ópticos, reduce la pérdida en la cavidad, mejora la eficiencia de salida del láser y proporciona condiciones para la resonancia estable de la longitud de onda del láser;

Al optimizar parámetros como el medio láser y el material de cristal no lineal, la concentración, la longitud, etc., se puede lograr el mejor resultado;

 

Al optimizar el diseño de la estructura mecánica, es más conveniente reparar los componentes del láser; optimizar el diseño de la estructura modular sin instalación y ajuste, de modo que la confiabilidad de grado industrial se incremente continuamente; reducir el volumen del módulo de fuente de luz y fortalecer la resistencia al daño térmico de la operación continua; mejora de la estructura óptico-mecánica Capacidad antivibración y vida útil del dispositivo para garantizar la calidad de los productos láser;

 

La fuente de alimentación láser eléctrica y el circuito de control de temperatura adoptan tecnología digital para realizar las funciones de diseño de tamaño pequeño, bajo nivel de ruido y antiinterferencias. A través de la tecnología de retroalimentación fotoeléctrica, se realiza el ajuste autoadaptativo de la potencia de salida del láser y se mejora la estabilidad y confiabilidad a largo plazo del láser.

 

A través de tecnologías clave como la integración de fuente de bomba láser UV CW de onda corta, diseño de resonador, coincidencia de modo, conversión de frecuencia no lineal y fabricación de película óptica, avances en problemas técnicos como operación continua, alta eficiencia y estabilidad a largo plazo de alta potencia. operación de láseres UV de onda corta

 

Láser ultravioleta de estado sólido de onda corta con duplicación de frecuencia intracavitaria

 

El láser es un diodo láser de estado sólido ultravioleta de onda corta bombeado directamente dentro de la cavidad que duplica la frecuencia, como se muestra en la Figura 3. Se compone principalmente de láser semiconductor (LD), espejo de conformación óptica de bombeo, grupo de espejo de acoplamiento óptico de bombeo , medio de ganancia láser (cristal Pr3+), cristal duplicador de frecuencia no lineal (BBO) y dos espejos plano-cóncavos. El láser utiliza un resonador plegado en forma de V.

 

Los resonadores plegados pueden proporcionar dos cinturas de haz óptimas, en cristales no lineales y en medios de ganancia láser, respectivamente. La cintura de un haz puede satisfacer la condición de coincidencia de modo y la otra puede mejorar la eficiencia de duplicación de frecuencia. El LD emite luz láser con una longitud de onda de 444 nm correspondiente a la absorción del cristal Pr3+, y la distribución óptica del LD está formada por el grupo de espejos de conformación óptica de bombeo, y luego se inyecta en el cristal Pr3+ a través del espejo de acoplamiento óptico de bombeo. grupo. Las superficies transparentes del cristal Pr3+ son paralelas entre sí y coaxiales con el resonador.

 

El BBO de cristal no lineal duplica la frecuencia de la luz de frecuencia fundamental de 522 nm en la cavidad para realizar una salida de láser ultravioleta de onda corta continua de 261 nm de estado sólido. Los resonadores plegados se pueden hacer muy compactos, lo que da como resultado una estabilidad mecánica. La generación del segundo armónico completo (SHG) se logra mediante la reflexión del espejo del resonador en una dirección sin el riesgo adicional de que la luz ultravioleta pase a través del material de ganancia, evitando su degradación óptica. Además, los cristales Pr3+, los cristales no lineales y los LD tienen un control de temperatura estricto y preciso con un enfriador de semiconductores (TEC) para lograr un funcionamiento estable del láser.

 

Dado que tanto el cristal láser como el cristal de conversión de frecuencia tienen un cierto umbral de daño, el cristal de conversión de frecuencia UV se daña fácilmente con la luz ultravioleta durante el uso. El área del cristal destruida por el rayo ultravioleta solo representa una pequeña parte del área de la sección transversal del cristal, pero el láser aún debe repararse o reemplazarse, lo que provoca una gran pérdida de mano de obra y recursos materiales, y acorta la vida útil general del láser ultravioleta de estado sólido. No puede cumplir con los requisitos de operación estable a largo plazo.

 

RFH LASER mejora la vida útil de los láseres UV de alta potencia. Basado en el diseño de la cavidad resonante, control de duplicación de frecuencia, compensación térmica en la cavidad y control de enfriamiento, etc., al agregar un dispositivo mecánico de desviación en la cavidad resonante, durante el uso del láser, el cristal de duplicación de frecuencia se desplaza a intervalos para evitar el efecto a largo plazo del camino óptico. En el mismo punto del cristal de duplicación de frecuencia, se duplica la vida útil del láser ultravioleta de onda corta.

 

UV-F-261 es un láser de operación continua en la banda ultravioleta de onda corta de 261 nm. Su longitud de onda central es de 261,37 nm, la potencia de salida del láser supera los 100 mW, la estabilidad de la potencia del láser es superior al 1 % y el ruido de amplitud del láser es superior al 0,5 %. El láser tiene las características de un excelente rendimiento del láser (incluida la potencia del láser, la estabilidad, la calidad del haz, la vida útil, etc.), una estructura simple y una fuerte adaptabilidad ambiental (incluida la resistencia a los golpes, la resistencia a altas temperaturas, la resistencia a la humedad, etc.).

 

Los láseres ultravioleta de onda corta están surgiendo como nuevas aplicaciones en el campo de la espectroscopia Raman. La espectroscopia ultravioleta Raman evita la interferencia de la fluorescencia, tiene una alta sensibilidad y la señal Raman se puede mejorar con la señal Raman de resonancia, que se amplía en gran medida. Aplicaciones de la espectroscopia Raman en los campos de la física, la química, la biología y los materiales. El grupo del académico Li Can del Instituto de Química de Dalian, Academia de Ciencias de China, utilizó láser ultravioleta continuo de onda corta UV-F-261 para la estructura, síntesis, caracterización catalítica y caracterización in situ de tamices moleculares y tamices moleculares de heteroátomos, y logró importantes resultados.

 

 

Aplicación de láser en espectrómetro ultravioleta Raman y espectroscopia ultravioleta Raman

 

En la actualidad, se sabe que el desarrollo del láser ultravioleta continuo de onda corta de 261 nm se está llevando a cabo en China. Este producto puede satisfacer las necesidades de la espectroscopia Raman ultravioleta profunda, la litografía ultravioleta, la excitación de fluorescencia y otros campos, llenar el vacío del mercado y promover el desarrollo del procesamiento fino con láser, el análisis espectral y otros campos.