5.1 Schéma expérimental du laser à semi-conducteurs -de 222 nm
5.1.1 Configuration expérimentale du système laser
Le dispositif expérimental duloin uvc 222nmLe laser ultraviolet profond - est illustré à la figure 5.1, qui adopte une structure de cavité résonante en forme de V - avec une génération de deuxième harmonique à l'intérieur de la cavité et une génération de quatrième harmonique à l'extérieur de la cavité. La source de pompe est un réseau de diodes laser couplées à une fibre avec une puissance de sortie maximale de 110 W. Grâce à l'ajustement de la température, la longueur d'onde centrale de la lumière de pompe coïncide avec la longueur d'onde d'absorption centrale de Nd:YVO₄, et elle est focalisée dans un point de pompe d'un rayon de 200 μm via un système de collimation et de focalisation et injectée dans le cristal de Nd:YVO₄. Le système de couplage se compose de deux miroirs plano-convexes avec un rayon de courbure R=10mm et un polariseur de 45 degrés. La fraction atomique du dopage au Nd³⁺ dans le cristal Nd:YVO₄ est de 0,1 % et sa taille est de 4 mm × 4 mm × 5 mm. L'extrémité gauche est recouverte de films antireflet -de 808 nm, 1 064 nm et d'un film haute réflexion de 914 nm-, tandis que l'extrémité droite est recouverte de films antireflet de 914 nm, 1 064 nm et 1 342 nm-. Le côté du cristal laser est enveloppé d'une couche de feuille d'indium et monté sur un dissipateur thermique en cuivre rouge, et le contrôle de la température est effectué par un refroidisseur d'eau à circulation. Pour assurer une dissipation thermique suffisante du cristal, il convient de s'assurer que les quatre côtés du cristal sont entièrement en contact avec le débit d'eau du refroidisseur. Un miroir plano-concave M avec un rayon de courbure de 50 mm est utilisé comme miroir de sortie. Sa surface concave est recouverte d'un film à haute réflexion -de 914 nm et de films antireflet de 457 nm, 1 064 nm, 1 342 nm-, et son plan est recouvert de films antireflet de 457 nm, 914 nm, 1 064 nm et 1 342 nm-. Un miroir plan M₂ avec un rayon de courbure de 200 mm est utilisé comme réflecteur et sa surface est recouverte de films à haute réflexion de 457 nm et 914 nm, de sorte que le miroir d'extrémité gauche M₁ du cristal Nd: YVO₄, le miroir M et le miroir M₂ forment une cavité résonante en forme de V, avec l'angle entre les deux bras ≈10 degrés. Parmi eux, un commutateur acousto-optique Q-est inséré dans le bras long L₁ formé par les miroirs M₁ et M, et un cristal LBO pour la génération de deuxième harmonique est inséré dans le bras court formé par les miroirs M et M₂, et placé à une distance d'environ 1 mm du réflecteur M₂. Le cristal LBO a une taille de 4 mm × 4 mm × 15 mm et les deux extrémités du cristal sont recouvertes de films antireflet de 457 nm, 914 nm et 1 064 nm. La longueur d'onde d'oscillation de cette cavité résonante est de 914 nm. Après le doublement de la fréquence par le cristal LBO, une longueur d'onde de 457 nm est générée, oscille dans le bras court de la cavité résonante et sort du miroir plano-concave M. M₃ est un miroir de focalisation de 457 nm, dont la surface est recouverte d'un film antireflet de 457 nm-. Un cristal BBO pour la quatrième génération harmonique est placé près du point focal. Les deux extrémités du cristal sont recouvertes de films antireflet de 457 nm et 222 nm. Après avoir doublé la fréquence par le cristal BBO,loin uv 222Un laser ultraviolet peut être généré et les lasers 457 nm et 222 nm sont séparés par un prisme séparateur de faisceau M₄.
Figure 5.1 Configuration expérimentale du système de couplage optique -laser ultraviolet 1-de profondeur 222 nm ; Module à cristal 2-Nd:YVO₄ enveloppé dans un dissipateur thermique ; Dispositif Q-Switch à 3 acousto-optiques ; Miroir M à 4 sorties ; Appareil à cristal 5-LBO ; 6-Réflecteur M₂ ; Miroir de mise au point 7-457 nm M₃ ; Cristal 8-BBO ; Prisme séparateur à 9 faisceaux.
5.1.2 Méthodes de mesure des paramètres du laser
1. Longueur d'onde laser
Dans la mesure de la longueur d'onde de sortie du laser, un spectromètre Ocean HR4000CG - UV - NIR est utilisé, qui couvre une plage de longueurs d'onde de 200 à 1 100 nm avec une résolution de 0,75 nm (pleine largeur à moitié maximum), et le diagramme physique est présenté dans la figure 5.2. Pendant la mesure, le faisceau laser est réfléchi ou passé à travers une feuille d'atténuation dans la sonde du spectromètre, et la valeur de longueur d'onde duloin uvc 222nmle faisceau laser est observé à travers l’écran.
Figure 5.2 Schéma physique du spectromètre Ocean HR4000CG - UV - NIR
2. Fréquence de répétition du laser
Sélectionnez un photodétecteur dont la réponse spectrale correspond à la longueur d'onde de sortie du laser ; sélectionnez un photodétecteur et un oscilloscope appropriés en fonction de la plage de largeur d'impulsion de sortie du laser. Nous utilisons un oscilloscope du modèle Tektronix TDS3054C, qui a une bande passante de 500 MHz et un taux d'échantillonnage de 5 GS/s, comme le montre la figure 5.3(a). Le photodétecteur est un détecteur au silicium modèle THORLABS DET10A -, dont la plage de réponse spectrale est de 200 à 1 100 nm et le temps de montée est de 1 ns, comme le montre la figure 5.3 (b).
Figure 5.3 Schémas physiques de l'oscilloscope et du photodétecteur (a) Oscilloscope (b) Photodétecteur
Laissez l'impulsion laser entrer dans le photodétecteur et faites fonctionner le photodétecteur dans la plage linéaire. Ajustez la sensibilité et la vitesse de balayage de l'oscilloscope afin que deux formes d'onde d'impulsion laser stables apparaissent sur l'écran de l'oscilloscope. Enregistrez l'intervalle de temps t entre deux impulsions adjacentes et répétez la mesure n (n supérieur ou égal à 10) fois. Calculer la fréquence de répétition des impulsions f selon la formule (5.1) : f=1∑i=1ntin (Hz) f=\\frac{1}{\\frac{\\sum_{i=1}^{n} t_i}{n}} \\ (Hz) f=n∑i=1nti1 (Hz) où : tit_iti est le intervalle de temps entre deux impulsions adjacentes dans la i-ème mesure, unité : s ; n est le nombre de mesures.
3. Largeur d'impulsion laser
La mesure de la largeur d'impulsion peut faire référence aux étapes de mesure de la fréquence de répétition. Laissez l'impulsion laser entrer dans le photodétecteur et le photodétecteur fonctionne dans la plage linéaire. La forme d'onde du temps d'impulsion s'affiche sur l'écran de l'oscilloscope. Enregistrez la largeur d'impulsion τi\\tau_iτi à ce moment et répétez la mesure n (n supérieur ou égal à 10) fois. Calculer la largeur d'impulsion τ\\tauτ selon la formule (5.2) : τ=1n∑i=1nτi (ns) \\tau=\\frac{1}{n} \\sum_{i=1}^{n} \\tau_i \\ (ns) τ=n1∑i=1nτi (ns) où : τi\\tau_iτi est la largeur d'impulsion mesurée lors de la i-ème mesure, unité : s ; n est le nombre de mesures.
4. Puissance maximale du laser
Lors du calcul de la puissance maximale, nous devons d’abord mesurer la puissance moyenne du laser. Il existe deux types de sondes utilisées pour la mesure, comme le montre la figure 5.4. La figure (a) est un wattmètre laser OPHIR 30A - BB - 18, avec une plage de mesure de 10 mW ~ 30 W et une précision de mesure de 3 %. La figure (b) est un wattmètre laser UV OPHIR PD300R -, avec une plage de mesure de 20 pW à 300 mW et une précision de mesure de 10 %.
Figure 5.4 Mesureur de puissance laser (a) Mesureur de puissance laser OPHIR 30A-BB-18 (b) Mesureur de puissance laser OPHIR PD300R-UV
Pendant la mesure, alignez la sonde du wattmètre laser avec le faisceau de sortie du laser, allumez le wattmètre laser, sélectionnez une plage appropriée et calibrez son point zéro. Mesurez et enregistrez la lecture P du wattmètre une fois à intervalles déterminés selon les spécifications du produit, et répétez la mesure n (n supérieur ou égal à 10) fois. Calculer la puissance moyenne Pˉ\\bar{P}Pˉ du laser selon la formule (5.3) : Pˉ=1n∑i=1npi (W) \\bar{P}=\\frac{1}{n} \\sum_{i=1}^{n} p_i \\ (W) Pˉ=n1∑i=1npi (W) où : pip_ipi est la puissance moyenne obtenue lors de la i-ème mesure, unité : W ; n est le nombre de mesures.
Après avoir obtenu la puissance moyenne du laser, calculez la puissance maximale PpkP_{pk}Ppk selon la formule (5.4) : Ppk=Pˉf⋅τ (W) P_{pk}=\\frac{\\bar{P}}{f \\cdot \\tau} \\ (W) Ppk=f⋅τPˉ (W) où : Pˉ\\bar{P}Pˉ est la puissance moyenne, unité : W ; f est la fréquence de répétition des impulsions, unité : Hz ; τ\\tauτ est la largeur d'impulsion, unité : ns.
5. Qualité du faisceau
Le facteur de qualité du faisceau est représenté par M², et sa formule de calcul est M2=π4λ⋅d0⋅θ M^2=\\frac{\\pi}{4\\lambda} \\cdot d_0 \\cdot \\theta M2=4λπ⋅d0⋅θ où : d0d_0d0 est la largeur ou le diamètre de la taille, unité : nm ; θ\\thetaθ est l'angle de divergence du faisceau en champ lointain, unité : mrad ; λ\\lambdaλ est la longueur d'onde du laser, unité : μm.
Un analyseur de qualité de faisceau à fente THORLABS BP209 - VIS est utilisé pour mesurer laloin uvc 222qualité du faisceau laser, avec une plage de longueurs d'onde de fonctionnement de 200 à 1 100 nm, qui peut mesurer des faisceaux continus et pulsés avec une fréquence de répétition d'au moins 10 Hz. La vitesse de balayage peut être réglée entre 2 et 20 Hz, comme le montre la figure 5.5. L'analyseur de faisceau à fentes à balayage est doté d'un tambour rotatif avec au moins deux paires de fentes orthogonales à l'intérieur. Le tambour tourne autour de l'axe optique, modifiant les fentes dans les directions X et Y devant le détecteur, de sorte que la fente de balayage traverse le chemin optique. De cette manière, le signal de puissance mesuré est lié à la position du tambour et de la fente, à partir de laquelle le diamètre du faisceau d et le profil d'intensité sont calculés.
Figure 5.5 Analyseur de qualité du faisceau
Le système de test d’analyse de la qualité du faisceau est illustré à la figure 5.6. Le contrôleur de plate-forme mobile a une précision de 3 μm, qui contrôle à chaque fois la longueur de pas de l'analyseur de qualité du faisceau pour obtenir le diamètre du faisceau did_idi à la position correspondante. Remplacez les valeurs Z à différentes positions dans la direction de transmission du faisceau laser et leurs diamètres de spot correspondants dans la formule (5.6) pour calculer les valeurs des coefficients A, B et C, c'est-à-dire d2=A+B⋅Z+C⋅Z2 d^2=A + B \\cdot Z + C \\cdot Z^2 d2=A+B⋅Z+C⋅Z2
Figure 5.6 Système de test d'analyse de la qualité du faisceau
À partir des valeurs des coefficients A, B et C, le diamètre de taille du côté de l'objet -d0d_0d0, l'angle de divergence du faisceau θ\\thetaθ et le facteur de qualité du faisceau M² peuvent être calculés. Les formules de calcul sont d0=A−B24C d_0=\\sqrt{A - \\frac{B^2}{4C}} d0=A−4CB2 θ=C \\theta=\\sqrt{C} θ=C M2=πλA⋅C−B24 M^2=\\frac{\\pi}{\\lambda} \\sqrt{A \\cdot C - \\frac{B^2}{4}} M2=λπA⋅C−4B2
5.2 Expérience sur un laser à semi-conducteurs-de 222 nm
Sortie laser continue de 5.2.1 457 nm
La puissance de sortie et la qualité du faisceau du laser continu 457 nm sont des facteurs clés affectant ses performances de sortie d'impulsion et l'acquisition deloin uv 222laser par doublage de fréquence extracavité, contrairement aux émergentsLED 222 nmdes technologies qui offrent des sources -UVC lointaines alternatives. Selon les recherches théoriques des chapitres précédents, cette configuration optimise les conditions d'efficacitéloin uvc 222nmgénération via des méthodes-à semi-conducteurs.
