Perspectives d'application du laser 222 nm dans le domaine de la fabrication de dispositifs photoniques 1

Perspectives d'application du laser 222 nm dans le domaine de la fabrication de dispositifs photoniques 1

1.1 Objectif et importance de la recherche sur les lasers à semi-conducteurs-

Actuellement, dans le domaine de la recherche sur les lasers ultraviolets, les lasers à état solide-tout solide-de 266 nm sont commercialisés depuis de nombreuses années et sont largement utilisés dans le traitement des matériaux et d'autres applications. Les lasers ultraviolets à courte longueur d'onde - représentent une direction importante dans le développement des lasers. Pour le laser à semi-conducteurs -solide-ultraviolet profond de 222 nm présenté dans ce livre, les progrès de la recherche ont été relativement lents, mais cette bande de longueurs d'onde a des applications très importantes dans la construction de la défense nationale et dans les domaines civils.

1. Fabrication de dispositifs photoniques

Bien que les lasers ultraviolets de 266 nm soient largement utilisés dans le traitement des matériaux, les dispositifs photoniques tels que les réseaux de Bragg à guide d'ondes présentent une absorption élevée dans les bandes ultraviolettes inférieures à 250 nm[1−2]^{[1-2]}[1−2]. Par conséquent, par rapport à la bande 266 nm, les lasers ultraviolets profonds 222 nm ont des perspectives d'application plus importantes dans la préparation de dispositifs photoniques. La lampe UV de 222 nm, avec son contrôle précis de la longueur d'onde, améliore encore la précision de fabrication dans de telles applications.

2. Technologie de spectroscopie Raman par résonance ultraviolette

La raie spectrale de 222 nm est une source importante de lumière ultraviolette profonde pour la détection par spectroscopie Raman par résonance ultraviolette (UVRR) de biomolécules et d'explosifs. L'excitation à 222 nm peut induire des transitions dans les niveaux d'énergie du système électronique π\\piπ de molécules telles que la cytosine (un composant de l'ADN), les acides aminés (des composants protéiques) et NO2NO_2NO2​ (un composant explosif), augmentant ainsi l'intensité Raman[3]^{[3]}[3]. La cytosine joue un rôle crucial dans la méthylation de l'ADN, un mécanisme épigénétique qui régule l'expression des gènes, et sa dérégulation peut conduire à des maladies graves. En 2020, Francesco D'Amico et al. d'Italie[4]^{[4]}[4] ont utilisé du sperme de saumon et des lignées cellulaires de mélanome de souris B16 non commerciales comme sources d'échantillons, en utilisant des bandes de 272 nm, 260 nm, 250 nm et 222 nm comme longueurs d'onde d'excitation pour effectuer des mesures Raman de résonance ultraviolette sur des désoxynucléotides triphosphates isolés (dNTP), des mélanges de dNTP et des échantillons d'ADN génomique. Les résultats ont montré que parmi les bases d’ADN, la longueur d’onde d’excitation de 222 nm est la plus appropriée pour améliorer les signaux de cytosine. Sous cette longueur d'onde d'excitation, les mesures Raman ultraviolettes sur l'ADN hyperméthylé et hypométhylé des lignées cellulaires de leucémie T de Jurkat - ont révélé des différences spectrales significatives dans l'ADN isolé du sperme de saumon et des cellules de mélanome B16 de souris. Judy E. Kim et coll. des États-Unis [5−6]^{[5-6]}[5−6] a utilisé la quatrième harmonique d'un laser saphir pour générer un laser de 222 nm avec une puissance moyenne de 6 mW comme source de lumière UVRR pour détecter les modes de vibration du tryptophane dans les protéines membranaires repliées et dépliées. L'hexaméthylène triperoxyde diamine (HMTD) est un explosif à base de peroxyde-qui peut être facilement fabriqué à partir de produits chimiques ménagers. La détection de cette molécule à haute -énergie est difficile en raison du manque d'équipement de détection moderne ciblant le groupe fonctionnel caractéristique NO2NO_2NO2​. Brian S. Leigh et coll. des États-Unis[7]^{[7]}[7] a utilisé la quatrième harmonique d'un laser saphir pour produire un laser de 222 nm de niveau mW comme source de lumière UVRR, démontrant les caractéristiques des produits de photodégradation HMTD. De plus, la LED UVC 222 nm offre une alternative compacte pour des applications spectroscopiques similaires avec une portabilité améliorée.

3. Stérilisation et désinfection

En inactivant les bactéries et les virus, par rapport à la lumière ultraviolette typique de 254 nm de profondeur, la lumière ultraviolette dans la bande de 200 à 230 nm peut inactiver les bactéries, les virus de la grippe présents dans l'air et les agents pathogènes tels que le SRAS-CoV-2, tout en ne causant presque aucun dommage aux cellules humaines[8−11]^{[8-11]}[8−11]. Dans la bande ultraviolette lointaine (200-230 nm), les lampes excimères à l’échelle internationale émettent généralement une lumière avec une longueur d’onde maximale de 222 nm, et des recherches approfondies ont prouvé leurs performances antibactériennes, avec des premières applications utilisées. Les sources de lumière laser permettent une transmission à longue distance, compensant ainsi les défauts des lampes excimer en matière de stérilisation et de désinfection à distance. L'ampoule UV à 222 nm, par exemple, offre une option non laser fiable dans des environnements localisés, tandis que les systèmes laser à 222 nm excellent en précision. De plus, les lasers ultraviolets profonds de 222 nm ont de larges perspectives d'application dans des domaines tels que l'imagerie biophotonique, le stockage d'informations optiques, la détection environnementale et l'impression photo. La LED UVC 222 nm apparaît également comme un outil économe en énergie pour les modules de désinfection intégrés.

Actuellement, les lasers capables de produire de la lumière ultraviolette comprennent les lasers excimer, les lasers générés par des harmoniques d'ordre élevé-de gaz et des techniques de mélange à quatre-ondes, les lasers à électrons libres-et les lasers-à l'état solide. Les lasers Excimer peuvent atteindre une puissance moyenne élevée et une sortie laser ultraviolette à énergie d'impulsion élevée, mais en raison de leur fonctionnement à décharge gazeuse transversale, ils souffrent d'une mauvaise qualité de faisceau, d'une faible stabilité et d'une très petite plage de réglage ; de plus, ils présentent des inconvénients tels qu'une technologie complexe, des gaz toxiques et une durée de vie limitée d'un seul gaz, ce qui les rend difficiles à utiliser dans la pratique. Les lasers ultraviolets profonds produits par des harmoniques d'ordre élevé -de gaz et des techniques de mélange à quatre-ondes peuvent générer des longueurs d'onde plus courtes, mais leur efficacité de sortie est très faible, l'énergie de sortie est faible et la qualité du faisceau est médiocre, ils n'ont donc pas été largement utilisés. Les lasers à électrons libres - dans l'ultraviolet profond constituent une nouvelle génération de sources laser avec d'excellentes caractéristiques de sortie, avec des avantages tels qu'une large plage de longueurs d'onde de sortie accordable et une puissance élevée, mais ils sont de grande taille, coûteux et la technologie n'est pas encore mature[12]^{[12]}[12]. Actuellement, la sortie laser de bande de 222 nm est généralement obtenue par conversion quadruple de fréquence de la ligne laser de 0,9 μm de Ti:saphir[5,13−16]^{[5,13-16]}[5,13−16], avec une puissance de sortie moyenne d'environ 10 mW[14]^{[14]}[14], fréquence de répétition de 1 kHz, principalement utilisée pour la détection par spectroscopie Raman de biomolécules[1−5]^{[1-5]}[1−5] et explosifs[7]^{[7]}[7]. Cependant, la source de pompe pour les lasers Ti : saphir est généralement obtenue en doublant la fréquence des lasers dopés au Nd3+^{3+}3+-, ce qui rend la structure globale du laser complexe, de grand volume et coûteuse.

Avec la maturation de la technologie LD, la combinaison de lasers à semi-conducteurs pompés LD-avec une technologie de conversion de fréquence optique non linéaire peut produire des lasers ultraviolets à semi-conducteurs-tout solide-avec des avantages tels qu'un rendement élevé, une qualité de faisceau élevée, une fréquence de répétition élevée, des performances fiables et une structure compacte simple, devenant ainsi l'un des sujets les plus brûlants de la recherche sur les lasers ces dernières années. Pour les lasers à moyen gain dopés au Nd3+^{3+}3+-pompé à l'extrémité LD, la conversion quadruple fréquence de la raie de 1,064 μm dans le système à quatre-niveaux en lasers ultraviolets de 266 nm a été largement étudiée et commercialisée depuis de nombreuses années ; cependant, les recherches sur la conversion quadruple de fréquence de la raie de 0,9 μm dans le système à quasi-trois-niveaux pour obtenir des lasers ultraviolets à longueur d'onde plus courte- sont rares. Parmi les cristaux laser dopés au Nd3+^{3+}3+-, les cristaux Nd:YVO4_44​ ont une large bande d'absorption proche de 808 nm, absorbant entièrement la lumière de pompe dans la plage spectrale d'émission LD, ce qui les rend particulièrement adaptés comme support de gain pour tous les lasers à semi-conducteurs-solides-. De plus, les cristaux Nd:YVO4_44​ ont une dureté proche de celle du verre, ne sont pas sujets à la déliquescence et sont faciles à traiter et à recouvrir. Par conséquent, ce livre prévoit de mener des recherches sur le système quasi-trois-niveaux Nd:YVO4_44 pompé à l'extrémité LD dans la bande de 914 nm combiné à une technologie de conversion de fréquence optique non linéaire pour obtenir des lasers à semi-conducteurs -ultraviolet profond de 222 nm, qui ont non seulement une signification théorique importante, mais également de bonnes perspectives d'avantages sociaux et économiques. L’intégration des technologies de lampes UV à 222 nm pourrait encore combler les lacunes des systèmes hybrides.

1.2 Historique du développement des lasers à semi-conducteurs pompés LD--

En 1958, C. Townes et A. Schawlow des Bell Laboratories ont publié le premier article classique sur les lasers[17]^{[17]}[17], jetant les bases du développement de la technologie laser. En 1960, T. Maiman de Hughes Corporation aux États-Unis a fait passer le laser du concept théorique à la réalité, en inventant le premier laser à rubis au monde[18]^{[18]}[18]. Ce laser utilisait une lampe flash en spirale comme source de pompe, un cristal de rubis dopé au Cr3+^{3+}3+-comme matériau de travail, avec des faces avant et arrière parallèles du cristal de rubis plaqué argent-comme résonateur optique, atteignant une sortie laser à une longueur d'onde de 694,3 nm. Maiman a nommé l'amplification de la lumière laser par émission stimulée de rayonnement (laser). En 1962, des chercheurs américains ont développé avec succès le laser à semi-conducteur GaAs, le laser à semi-conducteur de première-génération[19−20]^{[19-20]}[19−20]. En 1963, R. Newman a utilisé une diode laser GaAs pour pomper expérimentalement le milieu Nd:CaWO4_44​, découvrant que la lumière de 880 nm émise par la diode GaAs pouvait être absorbée par le milieu laser Nd:CaWO4_44​ et a détecté une sortie de fluorescence dans la bande de 1 064 nm[21]^{[21]}[21]. Par conséquent, R. Newman a proposé le concept de lasers solides (tous -solides-pompés LD-compacts à haute efficacité. À partir de ce moment-là, les lasers à semi-conducteurs pompés LD--entrent dans la période naissante de leur développement. En 1964, Keyes et Quist du laboratoire Lincoln du MIT aux États-Unis[22]^{[22]}[22] ont réalisé avec succès cette idée en développant le premier laser à semi-conducteurs pompé LD-pompé-utilisant U3+^{3+}3+ :CaF2_22​ comme cristal laser, émettant un laser à une longueur d'onde de 2,613 μm. Bien que ce laser ait un seuil élevé et une puissance de sortie très faible, les chercheurs ont déjà reconnu que l'utilisation du LD comme source de pompage était plus efficace que les lampes flash traditionnelles. En 1968, Ross de McDonnell Douglas Corporation[23]^{[23]}[23] a refroidi un GaAs LD à 170 K pour faire correspondre la longueur d'onde d'émission LD (867 nm) avec un pic d'absorption de Nd:YAG, développant le premier laser Nd:YAG pompé par LD.

Dans les années 1970, en raison de l'absence de percées dans la technologie des lasers à semi-conducteurs, de la faible puissance, du faible rendement de conversion et de la nécessité d'un fonctionnement à basse température - ont sévèrement limité le développement de la technologie des lasers à semi-conducteurs pompés LD -. En 1971, Ostermayer et al. Ce résultat de recherche a ouvert la voie au développement de lasers à semi-conducteurs pompés LD -. Au cours de cette période, les chercheurs ont principalement mené des recherches sur la technologie laser avec des cristaux Nd:YAG comme milieu de gain. De plus, de nouveaux supports de gain laser à semi-conducteurs pompés LD--ont été explorés, comprenant généralement NdP5_55​O_14} et LiNdP4_44​O12_121​2, ainsi que des supports dopés avec Yb, Tm et Ho. En 1972, Barnes[26]^{[26]}[26] a établi pour la première fois un modèle de structure de pompage latéral-et a proposé des expressions approximatives pour la puissance de seuil et l'efficacité de la pente. Reno et Conant[27]^{[27]}[27] ont utilisé le pompage côté LD-de cristaux Nd:YAG pour atteindre 120 mW de sortie laser à 1 064 nm avec une efficacité de pente de 6 %. En 1973, Rosenkrant[28]^{[28]}[28] a publié le premier article sur les lasers pulsés à l'état solide-tout solide-et a développé l'expression de la puissance de seuil, montrant que les résultats théoriques et expérimentaux étaient cohérents. Chesler et Singh[29]^{[29]}[29] ont établi un modèle théorique de pompage final LD-et ont mené des expériences connexes. En 1976, Iwamoto et al.[30−31]^{[30-31]}[30−31] ont utilisé des diodes superluminescentes (SLD) pour pomper le Nd:YAG, réalisant ainsi tous les-lasers à semi-conducteurs-capables de fonctionner en continu à température ambiante. Au cours de cette étape, une autre direction de tous les -lasers à semi-conducteurs-lasers à semi-conducteurs-lasers à fibre-a également fait des progrès. En 1974, Stone et Burrus des Laboratoires Bell[32]^{[32]}[32] ont publié pour la première fois une extrémité de diode laser-pompée au Nd3+^{3+}3+-laser à fibre de Si dopée, utilisant une fibre avec un diamètre de noyau de 35 μm et une longueur de 1 cm, atteignant une puissance de seuil de fonctionnement continu ne dépassant pas 1 mW. Peu de temps après, ils ont développé avec succès un laser à fibre monocristalline Nd:YAG pompé par diode électroluminescente -diode électroluminescente -[33]^{[33]}[33]. La plupart des expériences au cours de cette période ont été menées à des températures basses ou proches de la température ambiante, les configurations expérimentales fonctionnant à température ambiante ne faisant que commencer. Les travaux de recherche de cette étape se sont principalement concentrés sur trois aspects : les lasers Nd:YAG, l'exploration de nouveaux milieux de gain et les lasers à guides d'ondes ; le niveau global de développement des lasers tout solide était encore relativement faible, en phase de démarrage.

Dans les années 1980, grâce aux percées continues dans les technologies clés des lasers à semi-conducteurs, tous les-lasers à solide-entrent dans une période de développement vigoureux. Avec la maturation des technologies de croissance épitaxiale, notamment l'épitaxie par jet moléculaire (MBE), le dépôt chimique organique en phase vapeur (MOCVD) et l'épitaxie par faisceau chimique (CBE), de nouvelles structures et matériaux tels que les puits quantiques (QW) et les puits quantiques à couche contrainte (SLQW) ont émergé continuellement, réduisant considérablement les seuils LD, augmentant l'efficacité de conversion, augmentant la puissance de sortie de niveaux de milliwatts à près de cent watts et prolongeant considérablement la durée de vie. La recherche sur tous les-lasers à solide-a couvert presque tous les aspects de la technologie laser, y compris le développement de nouveaux matériaux-pour laser à solide et de technologies de conversion de fréquence optique non linéaire. Les chercheurs ont utilisé différents supports de gain tels que Nd:YLF, Nd:YVO4_44​ et Nd:YAG (tige et dalle), combinés à la technologie de commutation Q-, pour atteindre des puissances maximales de lasers pulsés de 1,06 μm dépassant des dizaines de kilowatts. De plus, des recherches ont été menées sur des lasers avec des ions tels que Ho, Tm3+^{3+}3+ et Er3+^{3+}3+, obtenant une sortie laser dans les bandes de 2 μm et 2,82 μm. Dans le domaine de la conversion de fréquence optique non linéaire, principalement la deuxième génération harmonique Nd:YAG de 1 064 nm/946 nm a produit une lumière verte de 532 nm et une lumière bleue de 473 nm. En 1987, Hanson[34]^{[34]}[34] a utilisé une structure Nd:YAG pompée côté LD-pour obtenir un laser pulsé de 1064 nm, puis a placé un cristal doubleur KTP à l'intérieur de la cavité pour obtenir une sortie de lumière verte de 532 nm avec une puissance maximale de 3 W. Kozlovsky et al.[35]^{[35]}[35] ont utilisé un cristal MgO:Li et Technologie de doublement résonant de la cavité externe pour obtenir une sortie de lumière verte de 532 nm en mode unique -longitudinal-de 2 mW. En 1987, Fan et Byer[36]^{[36]}[36] ont proposé la théorie des systèmes à quasi-trois-niveaux et ont utilisé expérimentalement une fibre monocristalline Nd:YAG pompée LD-pour atteindre une sortie laser de 946 nm, prédisant que la lumière bleue de 473 nm pourrait être obtenue par doublage intracavité. Risk et al.[37]^{[37]}[37] ont utilisé LiIO3_33​ comme cristal doubleur pour obtenir une sortie laser de 473 nm via un doublement intracavité. Le développement de tous les-lasers à fibre à semi-conducteurs-a été relativement lent au cours de cette étape.

Depuis les années 1990 jusqu'à aujourd'hui, alors que les lasers à semi-conducteurs deviennent de plus en plus matures, les lasers à semi-conducteurs pompés LD-sont entrés dans une phase de développement rapide, s'orientant vers la miniaturisation, la puissance élevée et les directions multi-longueurs d'onde, passant à la mise en pratique et à l'industrialisation, remplaçant progressivement les lasers à semi-conducteurs -pompés à lampe-traditionnels. Parmi eux, les lasers à semi-conducteurs miniaturisés et de moyenne -puissance-utilisent généralement le pompage final-pour obtenir une qualité de faisceau supérieure et une sortie laser à efficacité de conversion plus élevée. Les technologies permettant d'obtenir des lasers à semi-conducteurs-tout-solides-de haute puissance comprennent généralement des lasers Nd:YAG ou Yb:YAG à plusieurs-séries de tiges, des lasers à dalles et à disques, des lasers à amplificateur de puissance à oscillateur maître (MOPA) et des lasers à fibre à double revêtement-dopés Yb3+^{3+}3+-dopés. Actuellement, la puissance moyenne de sortie des lasers à haute -puissance atteint le niveau de dix-kilowatts, avec des applications qui s'étendent du traitement industriel aux armes laser et à la fusion nucléaire contrôlée. Pendant ce temps, avec l'émergence de cristaux non linéaires de haute-qualité, notamment LBO, BBO, BiBO et CLBO, la combinaison de lasers à semi-conducteurs-solides-hautes-performances avec une technologie de conversion de fréquence optique non linéaire a élargi la longueur d'onde et la gamme d'applications des lasers à semi-conducteurs LD-pompés-. Actuellement, le développement de lasers à semi-conducteurs -solides-rouges, verts et bleus est relativement mature, largement utilisé dans les domaines de l'affichage laser, de la médecine, de la détection des océans et du stockage à haute densité-. Pour obtenir de la lumière ultraviolette grâce à la technologie de conversion de fréquence non linéaire, bien que des lasers ultraviolets à semi-conducteurs -à semi-conducteurs -de bandes de 266 nm et 355 nm aient été commercialisés, remplaçant les lasers excimer dans certains domaines d'application, les lasers à semi-conducteurs ultraviolets à courte longueur d'onde -tout-solides- et leur potentiel d'application doivent encore être développés. Des outils complémentaires tels que l'ampoule UV de 222 nm permettent une adoption plus large dans des contextes non-laser.

1.3 Progrès de la recherche sur les lasers à semi-conducteurs à ultraviolets profonds pompés LD-

Les lasers ultraviolets profonds, en raison de leur courte longueur d'onde (se référant généralement à la bande UVC inférieure à 280 nm), de leur énergie élevée de photon unique et de leurs faibles effets thermiques, présentent des avantages uniques et irremplaçables dans des applications telles que l'analyse par spectroscopie Raman, le stockage de données optiques, la spectroscopie à haute résolution, l'usinage de précision et les domaines médicaux [38−53] ^ {[38-53]}[38−53]. La combinaison de tous les-lasers à semi-conducteurs-avec une technologie de conversion de fréquence optique non linéaire est actuellement la méthode la plus courante pour obtenir la sortie de tous les lasers ultraviolets à semi-conducteurs-solides-. Il présente les mêmes avantages que tous les-lasers à semi-conducteurs-, tels que la petite taille, le poids léger, le rendement élevé, les performances stables, la bonne fiabilité, la longue durée de vie, l'opération facile, le fonctionnement flexible, l'intelligence simple et l'absence de pollution, ce qui en fait l'une des sources laser de nouvelle génération-les plus potentielles. En raison des avantages uniques et des vastes perspectives d'application de tous les-lasers ultraviolets profonds à semi-conducteurs-, les pays du monde entier ont investi d'importantes ressources humaines et financières dans la recherche. Des chercheurs de divers pays ont étudié de manière approfondie les performances du laser sous différents types de supports laser (tige, disque mince, céramique et fibre), différentes structures de cavité et différents cristaux non linéaires, obtenant de nombreux résultats constructifs. Ce qui suit les résume, classés selon différents supports de gain dopés et systèmes de niveau d'énergie laser. Le tableau 1.1 et le tableau 1.2 répertorient les progrès de la recherche sur les lasers à semi-conducteurs ultraviolets profonds - obtenus à partir du système à quatre niveaux -bande de 1,06 μm et du système à quasi-trois-système à niveaux bande de 0,9 μm de support à gain dopé au Nd3+^{3+}3+-, respectivement. Le tableau 1.3 répertorie les progrès de la recherche sur les lasers à semi-conducteurs ultraviolets profonds obtenus en combinant des lasers à média à gain dopés Yb3+^{3+}3+- avec une technologie de conversion de fréquence optique non linéaire.

Tableau 1.1 Progrès de la recherche sur les lasers à semi-conducteurs ultraviolets profonds-avec Nd3+^{3+}3+-médias à gain dopés dans des systèmes à quatre-niveaux

Tableau 1.2 Progrès de la recherche sur les lasers à semi-conducteurs ultraviolets profonds-avec Nd3+^{3+}3+-médias à gain dopés dans des systèmes à quasi-trois-niveaux

Tableau 1.3 Progrès de la recherche sur les lasers à semi-conducteurs ultraviolets profonds-avec un support à gain dopé Yb3+^{3+}3+-

D'après le résumé de la littérature dans le tableau 1.1, les lasers à semi-conducteurs -ultraviolet profond avec un support de gain dopé au Nd3+^{3+}3+-dans des systèmes à quatre-niveaux obtiennent principalement une lumière ultraviolette profonde de 266 nm et 213 nm grâce à de multiples conversions de fréquence du laser à bande de 1,064 μm, parmi lesquels les lasers de 266 nm ont été largement étudiés et ont atteint des niveaux élevés.