Izgledi primjene 222nm lasera u području izrade fotonskih uređaja 1

Izgledi primjene 222nm lasera u području izrade fotonskih uređaja 1

1.1 Svrha i značaj istraživanja-lasera čvrstog stanja

Trenutačno, u području istraživanja ultraljubičastog lasera, 266 nm all{1}}solid{2}}laseri su komercijalizirani već mnogo godina i naširoko se koriste u obradi materijala i drugim primjenama. Ultraljubičasti laseri kratke{4}}valne duljine predstavljaju važan smjer u razvoju lasera. Za duboki ultraljubičasti 222 nm sve-solid{8}}laser predstavljen u ovoj knjizi, napredak istraživanja bio je relativno spor, ali ovaj pojas valne duljine ima vrlo važnu primjenu u izgradnji nacionalne obrane i civilnim poljima.

1. Izrada fotonskih uređaja

Iako se ultraljubičasti laseri od 266 nm naširoko koriste u obradi materijala, fotonski uređaji kao što su valovodne Braggove rešetke pokazuju visoku apsorpciju u ultraljubičastim vrpcama ispod 250 nm[1−2]^{[1-2]}[1−2]. Stoga, u usporedbi s pojasom od 266 nm, duboki ultraljubičasti laseri od 222 nm imaju značajnije izglede za primjenu u pripremi fotoničkih uređaja. UV lampa od 222 nm, sa svojom preciznom kontrolom valne duljine, dodatno povećava točnost izrade u takvim primjenama.

2. Tehnologija Ramanove spektroskopije ultraljubičaste rezonancije

Spektralna linija od 222 nm važan je izvor dubokog ultraljubičastog svjetla za detekciju biomolekula i eksploziva ultraljubičastom rezonantnom Ramanovom spektroskopijom (UVRR). Ekscitacija na 222 nm može inducirati prijelaze u energetskim razinama π\\piπ elektronskog sustava molekula kao što su citozin (komponenta DNK), aminokiseline (komponente proteina) i NO2NO_2NO2​ (eksplozivna komponenta), čime se povećava Ramanov intenzitet[3]^{[3]}[3]. Citozin igra ključnu ulogu u metilaciji DNA, epigenetskom mehanizmu koji regulira ekspresiju gena, a njegova disregulacija može dovesti do teških bolesti. Godine 2020. Francesco D'Amico i sur. iz Italije[4]^{[4]}[4] koristio je spermu lososa i nekomercijalne B16 mišje melanomske stanične linije kao izvore uzoraka, koristeći 272 nm, 260 nm, 250 nm i 222 nm trake kao valne duljine pobuđivanja za izvođenje ultraljubičastih rezonantnih raman mjerenja na izoliranim deoksinukleotid trifosfatima (dNTPs), dNTP mješavine i uzorci genomske DNA. Rezultati su pokazali da je među bazama DNA, valna duljina ekscitacije od 222 nm najprikladnija za pojačavanje signala citozina. Pod ovom valnom duljinom pobuđivanja, ultraljubičasta Ramanova mjerenja na hipermetiliranoj i hipometiliranoj DNK iz T-staničnih linija Jurkat leukemije otkrila su značajne spektralne razlike u DNK izoliranoj iz sperme lososa i stanica mišjeg melanoma B16. Judy E. Kim i sur. iz Sjedinjenih Američkih Država[5−6]^{[5-6]}[5−6] je koristio četvrti harmonik safirnog lasera za generiranje 222 nm lasera s prosječnom snagom od 6 mW kao UVRR izvora svjetlosti za otkrivanje načina vibracije triptofana u presavijenim i razmotanim membranskim proteinima. Heksametilen triperoksid diamin (HMTD) je eksploziv na bazi-peroksida koji se lako može proizvesti iz kućnih kemikalija. Otkrivanje ove visoko{50}}energetske molekule izazovno je zbog nedostatka moderne opreme za detekciju koja cilja karakterističnu funkcionalnu skupinu NO2NO_2NO2​. Brian S. Leigh i sur. iz Sjedinjenih Američkih Država[7]^{[7]}[7] upotrijebio je četvrti harmonik safirnog lasera za proizvodnju lasera na razini mW od 222 nm kao UVRR izvora svjetlosti, demonstrirajući karakteristike HMTD fotodegradacijskih proizvoda. Uz to, UVC LED od 222 nm nudi kompaktnu alternativu za slične spektroskopske primjene s poboljšanom prenosivošću.

3. Sterilizacija i dezinfekcija

U deaktivaciji bakterija i virusa, u usporedbi s tipičnim ultraljubičastim svjetlom dubine 254 nm, ultraljubičasto svjetlo u pojasu od 200–230 nm može deaktivirati bakterije, viruse gripe u zraku i patogene kao što je SARS-CoV-2, a pritom ne uzrokuje gotovo nikakvu štetu ljudima ćelije[8−11]^{[8-11]}[8−11]. U dalekom ultraljubičastom pojasu (200–230 nm), excimer svjetiljke obično emitiraju svjetlost s vršnom valnom duljinom od 222 nm, a opsežna istraživanja su dokazala njihovu antibakterijsku učinkovitost, s početnim primjenama u upotrebi. Laserski izvori svjetlosti omogućuju prijenos-na velike udaljenosti, nadoknađujući nedostatke excimer lampi u daljinskoj sterilizaciji i dezinfekciji. Žarulja s UV svjetlom od 222 nm, na primjer, pruža pouzdanu ne-lasersku opciju u lokalnim postavkama, dok se laserski sustavi od 222 nm ističu u preciznosti. Štoviše, duboki ultraljubičasti laseri od 222 nm imaju široke izglede za primjenu u poljima kao što su biofotonsko snimanje, optička pohrana informacija, detekcija okoliša i ispis fotografija. 222 nm UVC LED također se pojavljuje kao energetski učinkovit alat za integrirane module za dezinfekciju.

Trenutačno laseri koji mogu proizvoditi ultraljubičasto svjetlo uključuju excimer lasere, lasere generirane plinskim harmonicima visokog-reda i tehnikama miješanja četiri-valova, lasere-elektrona slobodnih-elektrona i lasere-krutog stanja. Excimer laseri mogu postići visoku prosječnu snagu i visoku pulsnu energiju ultraljubičastog lasera, ali zbog svog rada s poprečnim plinskim pražnjenjem pate od loše kvalitete snopa, niske stabilnosti i vrlo malog podesivog raspona; osim toga, imaju nedostatke kao što su složena tehnologija, otrovni plinovi i ograničeni životni vijek jednog-plina, što ih čini teškim za praktičnu upotrebu. Duboki ultraljubičasti laseri proizvedeni plinskim harmonicima visokog-reda i tehnikama miješanja četiri-vala mogu generirati kraće valne duljine, ali njihova izlazna učinkovitost je vrlo niska, izlazna energija je mala, a kvaliteta snopa je loša, tako da nisu naširoko korišteni. Laseri dubokih ultraljubičastih-elektrona nova su generacija laserskih izvora s izvrsnim izlaznim karakteristikama, s prednostima koje uključuju široki podesivi raspon izlaznih valnih duljina i veliku snagu, ali su velike veličine, visoke cijene, a tehnologija još nije zrela[12]^{[12]}[12]. Trenutačno se izlaz lasera u pojasu od 222 nm obično postiže četverostrukom frekvencijskom pretvorbom laserske linije od 0,9 μm iz Ti:safira[5,13−16]^{[5,13-16]}[5,13−16], s prosječnom izlaznom snagom od oko 10 mW[14]^{[14]}[14], frekvencijom ponavljanja od 1 kHz, uglavnom se koristi za Raman spektroskopska detekcija biomolekula[1−5]^{[1-5]}[1−5] i eksploziva[7]^{[7]}[7]. Međutim, izvor pumpe za Ti:safir lasere obično se dobiva udvostručenjem frekvencije Nd3+^{3+}3+-dopiranih lasera, što ukupnu strukturu lasera čini složenom, velikim volumenom i skupom.

Uz sazrijevanje LD tehnologije, kombiniranje LD{0}}pumpanih-lasera u čvrstom stanju s tehnologijom nelinearne optičke pretvorbe frekvencije može dati ultraljubičaste sve-solid{3}}lasere s prednostima kao što su visoka učinkovitost, visoka kvaliteta snopa, visoka frekvencija ponavljanja, pouzdana izvedba i jednostavna kompaktna struktura, što postaje jedna od najpopularnijih tema u istraživanju lasera posljednjih godina. Za LD kraj-pumpane Nd3+^{3+}3+- lasere srednjeg pojačanja s dopiranim pojačanjem, četverostruka konverzija frekvencije linije od 1,064 μm u sustavu četiri-razine u 266 nm ultraljubičaste lasere opsežno je proučavana i komercijalizirana mnogo godina; međutim, istraživanje o četverostrukoj pretvorbi frekvencije linije od 0,9 μm u kvazi-tro-sustavu za dobivanje ultraljubičastih lasera kraće{15}}valne duljine je rijetko. Među Nd3+^{3+}3+-dopiranim laserskim kristalima, Nd:YVO4_44​ kristali imaju široki apsorpcijski pojas blizu 808 nm, potpuno apsorbirajući svjetlo pumpe unutar spektralnog raspona LD emisije, što ih čini posebno prikladnim kao medij za pojačanje za sve-solid{23}}lasere. Uz to, kristali Nd:YVO4_44​ imaju tvrdoću blisku staklenoj, nisu skloni taljenju i lako se obrađuju i premazuju. Stoga ova knjiga planira provesti istraživanje LD end{27}}pumpanog Nd:YVO4_44​ kvazi-tro-sustava na pojasu od 914 nm u kombinaciji s tehnologijom nelinearne optičke frekvencijske konverzije kako bi se dobili duboki ultraljubičasti 222 nm kruti-laseri, koji ne samo da imaju važno teoretsko značenje, već i dobro društveno i gospodarsko koristi izgledi. Integracija tehnologija UV lampi od 222 nm mogla bi dodatno premostiti praznine u hibridnim sustavima.

1.2 Povijest razvoja LD-pumpanih-lasera u čvrstom stanju

Godine 1958. C. Townes i A. Schawlow iz Bell Laboratories objavili su prvi klasični rad o laserima[17]^{[17]}[17], postavljajući temelje za razvoj laserske tehnologije. Godine 1960. T. Maiman iz Hughes Corporationa u Sjedinjenim Državama pretvorio je laser iz teoretskog koncepta u stvarnost, izumivši prvi rubinski laser na svijetu[18]^{[18]}[18]. Ovaj je laser koristio spiralnu bljeskalicu kao izvor pumpe, Cr3+^{3+}3+-kristal rubina dopiran kao radni materijal, s paralelnim prednjim i stražnjim krajevima kristala rubina posrebrenog-kao optički rezonator, postižući laserski izlaz na valnoj duljini od 694,3 nm. Maiman je laser nazvao Pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja (laser). Godine 1962. američki istraživači uspješno su razvili GaAs poluvodički laser, prvu{21}}generaciju poluvodičkog lasera[19−20]^{[19-20]}[19−20]. Godine 1963. R. Newman je upotrijebio GaAs lasersku diodu za eksperimentalno pumpanje medija Nd:CaWO4_44​, otkrivši da svjetlost od 880 nm koju emitira GaAs dioda može biti apsorbirana od strane laserskog medija Nd:CaWO4_44​ i detektirao je izlaz fluorescencije u pojasu od 1064 nm[21]^{[21]}[21]. Stoga je R. Newman predložio koncept visoko-učinkovitih, kompaktnih LD-pumpanih čvrstih (sve-čvrstih-lasera). Od tada nadalje, LD-pumpani-laseri čvrstog stanja ušli su u početno razdoblje razvoja. Godine 1964. Keyes i Quist iz Laboratorija MIT Lincoln u Sjedinjenim Državama[22]^{[22]}[22] uspješno su realizirali ovu ideju, razvijajući prvi LD-pumpani-laser u čvrstom stanju koristeći U3+^{3+}3+:CaF2_22​ kao laserski kristal, emitirajući laser na valnoj duljini od 2,613 μm. Iako je ovaj laser imao visok prag i vrlo nisku izlaznu snagu lasera, istraživači su već prepoznali da je korištenje LD kao izvora pumpe učinkovitije od tradicionalnih bljeskalica. Godine 1968. Ross iz McDonnell Douglas Corporation[23]^{[23]}[23] ohladio je GaAs LD na 170 K kako bi uskladio valnu duljinu emisije LD (867 nm) s vrhom apsorpcije Nd:YAG, razvijajući prvi Nd:YAG laser s LD pumpom.

U 1970-ima, zbog nedostatka otkrića u poluvodičkoj laserskoj tehnologiji, mala snaga, niska učinkovitost pretvorbe i potreba za radom na niskim-temperaturama ozbiljno su ograničili razvoj LD-pumpane tehnologije-lasera u čvrstom stanju. Godine 1971., Ostermayer et al.[24−25]^{[24-25]}[24−25] prilagodili su materijalni sastav LD-a kako bi se uskladila valna duljina emisije LD-a s vrhom apsorpcije Nd:YAG, postigavši ​​kontinuirani laserski izlaz od 1,06 μm na sobnoj temperaturi koristeći LD-pumpani Nd:YAG. Ovaj rezultat istraživanja doveo je do osvita razvoja LD-pumpanih-lasera čvrstog stanja. Tijekom tog razdoblja istraživači su uglavnom provodili istraživanja laserske tehnologije s kristalima Nd:YAG kao medijem za pojačanje. Osim toga, istraženi su novi LD{20}}pumpani laserski-mediji za pojačanje, koji obično uključuju NdP5_55​O_14} i LiNdP4_44​O12_121​2, kao i mediji dopirani Yb, Tm i Ho. Godine 1972. Barnes[26]^{[26]}[26] prvi je uspostavio bočni-model strukture pumpanja i predložio približne izraze za snagu praga i učinkovitost nagiba. Reno i Conant[27]^{[27]}[27] koristili su LD side-pumpanje kristala Nd:YAG da bi postigli 120 mW laserskog izlaza od 1064 nm s učinkovitošću nagiba od 6%. Godine 1973. Rosenkrant[28]^{[28]}[28] objavio je prvi članak o pulsirajućim sve-solid{51}}laserima i razradio izraz praga snage, pokazujući da su teorijski i eksperimentalni rezultati dosljedni. Chesler i Singh[29]^{[29]}[29] uspostavili su teorijski model LD end-pumpinga i proveli povezane eksperimente. Godine 1976., Iwamoto et al.[30−31]^{[30-31]}[30−31] koristili su super luminescentne diode (SLD) za pumpanje Nd:YAG, doista postigavši ​​sve-solid{64}}lasere koji mogu kontinuirano raditi na sobnoj temperaturi. Tijekom ove faze, drugi smjer svih-solid{66}}lasera-vlaknastih lasera-također je postigao određeni napredak. Godine 1974., Stone i Burrus iz Bell Laboratories[32]^{[32]}[32] prvi su objavili laserski diodni kraj-pumpan Nd3+^{3+}3+-laser s Si vlaknima dopiranim, koristeći vlakno s promjerom jezgre od 35 μm i duljinom od 1 cm, postižući prag snage kontinuiranog rada ne više od 1 mW. Ubrzo nakon toga, uspješno su razvili laser-svjetlećom diodom-pumpan Nd:YAG jedno-kristalnim vlaknima[33]^{[33]}[33]. Većina eksperimenata tijekom tog razdoblja provedena je na niskim ili blizu-sobnih temperatura, pri čemu su eksperimentalne postavke rada-na sobnoj temperaturi tek počele. Istraživački rad u ovoj fazi uglavnom je bio usmjeren na tri aspekta: Nd:YAG laseri, istraživanje novih medija za pojačanje i valovodni laseri; ukupna razina razvoja krutih lasera bila je još uvijek relativno niska, u fazi pokretanja.

U 1980-ima, uz kontinuirani napredak u ključnim tehnologijama poluvodičkih lasera, svi-solid{2}}laseri ušli su u razdoblje snažnog razvoja. Sazrijevanjem tehnologija epitaksijalnog rasta, uključujući epitaksiju molekularnim snopom (MBE), metal-organsko kemijsko taloženje iz pare (MOCVD) i epitaksiju kemijskim snopom (CBE), nove strukture i materijali poput kvantnih jažica (QW) i kvantnih jažica napetog-sloja (SLQW) neprestano su se pojavljivale, značajno smanjujući pragove LD, povećavajući učinkovitost pretvorbe, podizanje izlazne snage s razine u milivatima na gotovo stotinu vata i znatno produljenje životnog vijeka. Istraživanje svih-solid{8}}lasera pokrilo je gotovo sve aspekte laserske tehnologije, uključujući razvoj novih-laserskih materijala i nelinearne optičke tehnologije pretvorbe frekvencije. Istraživači su koristili različite medije za pojačanje kao što su Nd:YLF, Nd:YVO4_44​ i Nd:YAG (štap i ploča), u kombinaciji s Q-switching tehnologijom, kako bi postigli vršne snage pulsirajućih lasera od 1,06 μm koje prelaze desetke kilovata. Dodatno, istraživanje je provedeno na laserima s ionima kao što su Ho, Tm3+^{3+}3+ i Er3+^{3+}3+, čime je dobiven laserski izlaz u pojasima od 2 μm i 2,82 μm. U području nelinearne optičke pretvorbe frekvencije, uglavnom 1064 nm/946 nm Nd:YAG generacija drugog harmonika proizvela je 532 nm zelene svjetlosti i 473 nm plave svjetlosti. Godine 1987., Hanson[34]^{[34]}[34] je koristio LD side-pumpanu strukturu Nd:YAG da dobije pulsni laser od 1064 nm, zatim je postavio KTP duplirajući kristal unutar šupljine kako bi postigao 532 nm izlaz zelene svjetlosti s vršnom snagom od 3 W. Kozlovsky et al.[35]^{[35]}[35] koristili su MgO:Li kristal i tehnologija rezonantnog udvostručavanja vanjske šupljine za postizanje 2 mW jedno-longitudinalnog-moda 532 nm zeleno svjetlo. Godine 1987., Fan i Byer[36]^{[36]}[36] predložili su kvazi-teoriju sustava s tri-razine i eksperimentalno upotrijebili LD-pumpano jedno-kristalno vlakno Nd:YAG za postizanje laserskog izlaza od 946 nm, predviđajući da bi se plavo svjetlo od 473 nm moglo dobiti kroz intrakavitet udvostručenje. Risk i dr. [37]^{[37]}[37] koristili su LiIO3_33​ kao udvostručivi kristal za postizanje laserskog izlaza od 473 nm putem udvostručavanja unutar šupljine. Razvoj svih-solid{66}}fiber lasera bio je relativno spor tijekom ove faze.

Od 1990-ih do danas, s poluvodičkim laserima koji su postajali sve zreliji, LD{1}}pumpani-laseri u čvrstom stanju ušli su u fazu brzog razvoja, krećući se prema minijaturizaciji, visokoj snazi ​​i više{3}}smjerovima valnih duljina, prelazeći na praktičnu primjenu i industrijalizaciju, postupno zamjenjujući tradicionalne lasere-pumpane u čvrstom stanju-. Među njima, minijaturizirani i srednje{7}}snažni-statički laseri obično koriste kraj-pumpanje kako bi postigli veću kvalitetu zrake i laserski izlaz veće učinkovitosti konverzije. Tehnologije za postizanje velike-snage svih-solid-lasera obično uključuju više-štapne Nd:YAG ili Yb:YAG lasere, pločaste i disk lasere, lasere s glavnim oscilatorom pojačala snage (MOPA) i Yb3+^{3+}3+-dopirane dvostruko-obloženi vlaknasti laseri. Trenutačno prosječna izlazna snaga-lasera visoke snage doseže razinu od deset-kilovata, s primjenom koja se širi od industrijske obrade do laserskog oružja i kontrolirane nuklearne fuzije. U međuvremenu, s pojavom visoko{23}}kvalitetnih nelinearnih kristala, uključujući LBO, BBO, BiBO i CLBO, kombiniranje-s-solid{26}}lasera visokih performansi s tehnologijom nelinearne optičke pretvorbe frekvencije proširilo je valne duljine i raspon primjene LD-pumpanih-lasera u čvrstom stanju. Trenutačno je razvoj crvenih, zelenih i plavih sve-solid{31}}lasera relativno zreo, naširoko se koristi u laserskim prikazima, medicini, otkrivanju oceana i poljima visoke-pohrane gustoće. Za dobivanje ultraljubičastog svjetla kroz tehnologiju nelinearne pretvorbe frekvencije, iako su ultraljubičasti all-solid-laseri od 266 nm i 355 nm pojasa komercijalizirani, zamjenjujući excimer lasere u nekim područjima primjene, ultraljubičasti all-solid-laseri kratke-valne duljine i njihov potencijal za primjenu još uvijek trebaju daljnji razvoj. Komplementarni alati poput 222 nm UV žarulje podržavaju širu primjenu u ne-laserskim kontekstima.

1.3 Napredak istraživanja na LD-pumpanim dubokim ultraljubičastim-laserima čvrstog stanja

Duboki ultraljubičasti laseri, zbog svoje kratke valne duljine (obično se odnosi na UVC pojas ispod 280 nm), visoke energije jednog-fotona i niskih toplinskih učinaka, imaju jedinstvene nezamjenjive prednosti u primjenama kao što su Ramanova spektroskopska analiza, optička pohrana podataka, spektroskopija visoke-razlučivosti, precizna strojna obrada i medicina polja[38−53]^{[38-53]}[38−53]. Kombinacija-solid{11}}lasera s tehnologijom nelinearne optičke pretvorbe frekvencije trenutačno je najčešća metoda za dobivanje potpuno{12}}solid{14}}ultravioletnog lasera. Ima iste prednosti kao i svi-solid{16}}laseri, poput male veličine, male težine, visoke učinkovitosti, stabilnih performansi, dobre pouzdanosti, dugog vijeka trajanja, jednostavnog rada, fleksibilnog rada, lake inteligencije i bez zagađenja, što ga čini jednim od najpotencijalnijih laserskih izvora-generacije. Zbog jedinstvenih prednosti i mogućnosti široke primjene svih-čvrstih-dubokih ultraljubičastih lasera, zemlje diljem svijeta uložile su značajnu radnu snagu i financijska sredstva u istraživanje. Istraživači iz raznih zemalja opsežno su istraživali učinkovitost lasera pod različitim vrstama laserskih medija (šipka, tanki disk, keramika i vlakna), različitim strukturama šupljina i različitim nelinearnim kristalima, postigavši ​​mnoge konstruktivne rezultate. Sljedeće ih sažima klasificirane prema različitim dopiranim medijima za pojačanje i sustavima razine laserske energije. Tablica 1.1 i Tablica 1.2 navode napredak istraživanja dubokih ultraljubičastih krutih-lasera dobivenih iz sustava s četiri-razine 1,06 μm pojasa i kvazi-tri-sistema razina 0,9 μm pojasa Nd3+^{3+}3+-medija s dopiranim pojačanjem. Tablica 1.3 navodi napredak istraživanja dubokih ultraljubičastih lasera u čvrstom stanju dobivenih kombiniranjem Yb3+^{3+}3+-medija s dopiranim pojačanjem i tehnologijom nelinearne optičke pretvorbe frekvencije.

Tablica 1.1 Napredak istraživanja dubokih ultraljubičastih lasera čvrstog-stanja s Nd3+^{3+}3+-dopiranim medijima za pojačanje u sustavima s četiri-razine

Tablica 1.2 Napredak istraživanja dubokih ultraljubičastih lasera-stanja s Nd3+^{3+}3+-dopiranim medijima za pojačanje u kvazi-tri-sustavima

Tablica 1.3 Napredak istraživanja dubokog ultraljubičastog čvrstog-lasera s Yb3+^{3+}3+-dopiranim medijem za pojačanje

Iz sažetka literature u tablici 1.1, duboki ultraljubičasti kruti-laseri s Nd3+^{3+}3+-dopiranim medijem za pojačanje u sustavima s četiri-razine uglavnom dobivaju 266 nm i 213 nm duboko ultraljubičasto svjetlo višestrukim pretvorbama frekvencije lasera s pojasom od 1,064 μm, među kojima su laseri od 266 nm opsežno proučavao i postigao visoke razine.