Perspective de aplicare a laserului de 222 nm în domeniul fabricării dispozitivelor fotonice 1

Perspective de aplicare a laserului de 222 nm în domeniul fabricării dispozitivelor fotonice 1

1.1 Scopul și semnificația cercetării cu laser în stare solidă-

În prezent, în domeniul cercetării laserului ultraviolet, laserele cu stare-solidă-de 266 nm au fost comercializate de mulți ani și sunt utilizate pe scară largă în prelucrarea materialelor și în alte aplicații. Laserele ultraviolete cu lungime de undă scurtă-reprezintă o direcție importantă în dezvoltarea laserului. Pentru laserul cu ultraviolete adânci de 222 nm, toate-solide-introdus în această carte, progresul cercetării a fost relativ lent, dar această bandă de lungime de undă are aplicații foarte importante în construcțiile de apărare națională și în domeniile civile.

1. Fabricarea dispozitivelor fotonice

Deși laserele ultraviolete de 266 nm sunt utilizate pe scară largă în procesarea materialelor, dispozitivele fotonice, cum ar fi rețele Bragg cu ghid de undă, prezintă o absorbție mare în benzile ultraviolete sub 250 nm[1−2]^{[1-2]}[1−2]. Prin urmare, comparativ cu banda de 266 nm, laserele ultraviolete profunde de 222 nm au perspective de aplicare mai semnificative în pregătirea dispozitivelor fotonice. Lampa UV de 222 nm, cu controlul precis al lungimii de undă, îmbunătățește și mai mult precizia de fabricație în astfel de aplicații.

2. Tehnologia de spectroscopie Raman cu rezonanță ultravioletă

Linia spectrală de 222 nm este o sursă importantă de lumină ultravioletă profundă pentru detectarea prin spectroscopie Raman cu rezonanță ultravioletă (UVRR) a biomoleculelor și explozivilor. Excitația la 222 nm poate induce tranziții în nivelurile de energie ale sistemului de electroni π\\piπ ale moleculelor precum citozină (o componentă ADN), aminoacizi (componente proteice) și NO2NO_2NO2​ (o componentă explozivă), crescând astfel intensitatea Raman[3]^{[3]}[3]. Citozina joacă un rol crucial în metilarea ADN-ului, un mecanism epigenetic care reglează expresia genelor, iar dereglarea acesteia poate duce la boli grave. În 2020, Francesco D'Amico și colab. din Italia[4]^{[4]}[4] a folosit sperma de somon și linii celulare de melanom de șoarece B16 necomerciale ca surse de probă, utilizând benzi de 272 nm, 260 nm, 250 nm și 222 nm ca lungimi de undă de excitație pentru a efectua măsurători Raman de rezonanță ultravioletă pe trinucleotide NTP izolate amestecuri și probe de ADN genomic. Rezultatele au arătat că printre bazele ADN, lungimea de undă de excitație de 222 nm este cea mai potrivită pentru îmbunătățirea semnalelor de citozină. Sub această lungime de undă de excitație, măsurătorile Raman ultraviolete pe ADN-ul hipermetilat și hipometilat din liniile de celule T-de leucemie Jurkat au evidențiat diferențe spectrale semnificative în ADN-ul izolat din sperma de somon și celulele B16 de melanom de șoarece. Judy E. Kim și colab. din Statele Unite[5−6]^{[5-6]}[5−6] a folosit a patra armonică a unui laser cu safir pentru a genera laser de 222 nm cu o putere medie de 6 mW ca sursă de lumină UVRR pentru a detecta modurile de vibrație ale triptofanului în proteinele membranei pliate și desfăcute. Hexametilen triperoxid diamina (HMTD) este un exploziv pe bază de peroxid{40}}care poate fi ușor fabricat din substanțe chimice de uz casnic. Detectarea acestei molecule de-energie ridicată este o provocare din cauza lipsei de echipamente moderne de detectare care vizează grupul funcțional caracteristic NO2NO_2NO2​. Brian S. Leigh şi colab. din Statele Unite[7]^{[7]}[7] a folosit a patra armonică a unui laser cu safir pentru a produce laser de 222 nm de nivel mW ca sursă de lumină UVRR, demonstrând caracteristicile produselor de fotodegradare HMTD. În plus, LED-ul UVC de 222 nm oferă o alternativă compactă pentru aplicații spectroscopice similare, cu portabilitate îmbunătățită.

3. Sterilizare și dezinfecție

În inactivarea bacteriilor și virușilor, în comparație cu lumina ultravioletă obișnuită de 254 nm adâncime, lumina ultravioletă în bandă de 200–230 nm poate inactiva bacteriile, virușii gripali din aer și agenți patogeni precum SARS-CoV{-2, în timp ce provoacă aproape deloc daune celulelor umane[8}−1]. În banda ultraviolete îndepărtate (200–230 nm), lămpile cu excimer emit în mod obișnuit lumină cu o lungime de undă de vârf de 222 nm, iar cercetările extinse au demonstrat performanța lor antibacteriană, cu aplicații inițiale în utilizare. Sursele de lumină cu laser permit transmiterea pe distanțe lungi-, compensând deficiențele lămpilor cu excimer în sterilizarea și dezinfecția la distanță. Becul UV de 222 nm, de exemplu, oferă o opțiune fiabilă fără-laser în setări localizate, în timp ce sistemele cu laser de 222 nm excelează în precizie. În plus, laserele ultraviolete profunde de 222 nm au perspective largi de aplicare în domenii precum imagistica biofotonica, stocarea informațiilor optice, detectarea mediului și imprimarea foto. LED-ul UVC de 222 nm apare și ca un instrument eficient din punct de vedere energetic pentru modulele integrate de dezinfecție.

În prezent, laserele capabile să producă lumină ultravioletă includ lasere cu excimeri, lasere generate de armonici de ordin înalt gaz-și tehnici de amestecare cu patru-unde, lasere cu electroni liberi-și lasere cu stare-solidă. Laserele cu excimeri pot obține o putere medie mare și o ieșire de laser ultravioletă cu energie de impuls ridicată, dar datorită funcționării lor transversale de descărcare a gazelor, ele suferă de calitate slabă a fasciculului, stabilitate scăzută și un interval reglabil foarte mic; în plus, au dezavantaje, cum ar fi tehnologia complexă, gazele toxice și durata de viață limitată a unui singur-gaz, ceea ce le face dificil de utilizat în practică. Laserele ultraviolete profunde produse de armonici de ordin înalt-gazului și tehnici de amestecare a patru-unde pot genera lungimi de undă mai scurte, dar eficiența lor de ieșire este foarte scăzută, energia de ieșire este mică și calitatea fasciculului este slabă, așa că nu au fost utilizate pe scară largă. Laserele cu electroni liberi-de ultraviolete profunde reprezintă o nouă generație de surse laser cu caracteristici de ieșire excelente, cu avantaje inclusiv o gamă largă de lungimi de undă de ieșire reglabilă și putere mare, dar sunt mari ca dimensiuni, costuri ridicate și tehnologia nu este încă matură[12]^{[12]}[12]. În prezent, ieșirea laser în bandă de 222 nm este de obicei obținută prin conversia de frecvență cvadruplă a liniei laser de 0,9 μm de la Ti:sapphire[5,13−16]^{[5,13-16]}[5,13−16], cu o putere medie de ieșire de aproximativ 10 mW[14]^{[14][14]KHz [14], frecvența principală utilizată pentru repetiția [14] kHz [14] detectarea prin spectroscopie a biomoleculelor[1−5]^{[1-5]}[1−5] și a explozivilor[7]^{[7]}[7]. Cu toate acestea, sursa de pompă pentru laserele Ti:safir este de obicei obținută prin dublarea frecvenței laserelor dopate cu Nd{3+^{{3+}3+-, ceea ce face ca structura laserului să fie complexă, mare ca volum și costisitoare.

Odată cu maturizarea tehnologiei LD, combinarea laserelor LD-pompate cu stare solidă-cu tehnologia de conversie a frecvenței optice neliniare poate produce lasere ultraviolete cu toate-solidele-stare cu avantaje precum eficiență ridicată, calitate înaltă a fasciculului, frecvență de repetiție ridicată, performanță fiabilă și structură compactă simplă, devenind unul dintre cei mai tari ani de cercetare cu laser din ultimii ani. Pentru laserele cu câștig mediu dopate cu Nd{-pompate cu LD3+^{{3+}3+-, conversia de frecvență cvadrupla a liniei de 1,064 μm în sistemul cu patru-nivele la lasere ultraviolete de 266 nm a fost studiată și comercializată pe larg de mulți ani; cu toate acestea, cercetările privind conversia de frecvență cvadruplă a liniei de 0,9 μm în sistemul cvasi-trei-pentru a obține lasere ultraviolete cu lungime de undă mai scurtă- sunt rare. Printre cristalele laser dopate cu Nd3+^{{3+}3+-cristalele Nd:YVO4_44​ au o bandă largă de absorbție aproape de 808 nm, absorbind complet lumina de pompă în intervalul spectral de emisie LD, făcându-le deosebit de potrivite ca medii de câștig pentru toate{22}3{22}nm{22}nm. În plus, cristalele Nd:YVO4_44 au o duritate apropiată de sticlă, nu sunt predispuse la delicscență și sunt ușor de prelucrat și acoperit. Prin urmare, această carte intenționează să efectueze cercetări asupra unui sistem cu trei-niveluri LD pompat cu Nd:YVO4_44 la banda de 914 nm combinat cu tehnologia de conversie a frecvenței optice neliniare pentru a obține ultraviolete profunde de 222 nm solide{{33}nm solide, dar care are, de asemenea, beneficii importante de stare socială și economică. Integrarea tehnologiilor cu lămpi UV de 222 nm ar putea acoperi și mai mult lacunele în sistemele hibride.

1.2 Istoricul dezvoltării laserelor cu stare solidă LD-pumped-

În 1958, C. Townes și A. Schawlow de la Bell Laboratories au publicat prima lucrare clasică despre lasere[17]^{[17]}[17], punând bazele dezvoltării tehnologiei laser. În 1960, T. Maiman de la Hughes Corporation din Statele Unite a transformat laserul de la conceptul teoretic la realitate, inventând primul laser rubin din lume[18]^{[18]}[18]. Acest laser a folosit o lampă spirală ca sursă de pompă, cristal de rubin dopat cu Cr{3+^{3+}{3+-ca material de lucru, cu fețele frontale și posterioare paralele ale cristalului de rubin argint-placat ca rezonator optic, obținând o ieșire laser la o lungime de undă de 3 nm694. Maiman a numit laserul Amplificare a luminii prin emisie stimulată de radiații (Laser). În 1962, cercetătorii americani au dezvoltat cu succes laserul semiconductor GaAs, primul laser semiconductor de generație-[19−20]^{[19-20]}[19−20]. În 1963, R. Newman a folosit o diodă laser GaAs pentru a pompa mediul Nd:CaWO4_44​ experimental, descoperind că lumina de 880 nm emisă de dioda GaAs ar putea fi absorbită de mediul laser Nd:CaWO4_44​ și a detectat fluxul de fluorescență în banda de 1064 nm[2].[211][2]. Prin urmare, R. Newman a propus conceptul de lasere solide (toate-solide{-) pompate LD-de înaltă eficiență. De atunci, laserele cu stare solidă-pompată LD-au intrat în perioada de dezvoltare. În 1964, Keyes și Quist de la MIT Lincoln Laboratory din Statele Unite[22]^{[22]}[22] și-au dat seama cu succes de această idee, dezvoltând primul laser cu stare solidă pompată LD{{-pompată- folosind U{3+^{3+}{3+:CaF2_2_2_2 laser care emite unde laser at​22. 2,613 μm. Deși acest laser avea un prag ridicat și o putere de ieșire foarte scăzută, cercetătorii au recunoscut deja că utilizarea LD ca sursă de pompă a fost mai eficientă decât lămpile tradiționale. În 1968, Ross de la McDonnell Douglas Corporation[23]^{[23]}[23] a răcit un GaAs LD la 170 K pentru a se potrivi cu lungimea de undă de emisie LD (867 nm) cu un vârf de absorbție de Nd:YAG, dezvoltând primul laser Nd:YAG pompat cu LD.

În anii 1970, din cauza lipsei de progrese în tehnologia laser cu semiconductor, puterea scăzută, eficiența de conversie scăzută și nevoia de funcționare la temperatură joasă-a constrâns grav dezvoltarea tehnologiei laser cu stare solidă-pompată LD-. În 1971, Ostermayer și colab.[24−25]^{[24{-25]}[24−25] au ajustat compoziția materialului LD pentru a se potrivi cu lungimea de undă de emisie LD cu vârful de absorbție Nd:YAG, obținând 1,06 μm ieșire continuă cu laser la temperatura camerei pompată Nd.}AG{15:}AG Acest rezultat al cercetării a dus la dezvoltarea laserelor cu stare solidă-pompată LD-. În această perioadă, cercetătorii au efectuat în principal cercetări în domeniul tehnologiei laser cu cristale Nd:YAG ca mediu de câștig. În plus, au fost explorate noi medii de câștig cu laser în stare solidă pompată LD-pompată-, inclusiv NdP5_55​O_14} și LiNdP4_44​O12_121​2, precum și medii dopate cu Yb, Tm și Ho. În 1972, Barnes[26]^{[26]}[26] a stabilit pentru prima dată un model de structură de pompare laterală-și a propus expresii aproximative pentru puterea de prag și eficiența pantei. Reno și Conant[27]^{[27]}[27] au folosit pomparea laterală LD-a cristalelor Nd:YAG pentru a obține 120 mW de ieșire laser de 1064 nm cu o eficiență a pantei de 6%. În 1973, Rosenkrant[28]^{[28]}[28] a publicat primul articol despre laserele cu stare-solidă-pulsată și a elaborat expresia puterii de prag, arătând că rezultatele teoretice și experimentale au fost consistente. Chesler și Singh[29]^{[29]}[29] au stabilit un model teoretic de pompare finală LD-și au efectuat experimente conexe. În 1976, Iwamoto și colab.[30−31]^{[30-31]}[30−31] au folosit diode super luminiscente (SLD) pentru a pompa Nd:YAG, realizând cu adevărat toate laserele cu stare-solidă- capabile să funcționeze continuu la temperatura camerei. În această etapă, o altă direcție a tuturor-laserelor cu stare solidă-laserelor cu fibră-laserelor cu fibră-a făcut, de asemenea, unele progrese. În 1974, Stone și Burrus de la Bell Laboratories[32]^{[32]}[32] au publicat pentru prima dată un laser cu fibră Si dopată cu Nd3+^{3+}3+-, folosind o fibră cu un diametru al miezului de 35 μm și o lungime de funcționare continuă de maximum 1 cm. 1 mW. Curând după aceea, au dezvoltat cu succes un laser cu fibră cristalină-unic-nd:YAG pompat cu o diodă emițătoare de lumină[33]^{[33]}[33]. Cele mai multe experimente din această perioadă au fost efectuate la temperaturi scăzute sau apropiate de-cameră, cu setările experimentale de funcționare la-cameră abia începând. Lucrările de cercetare din această etapă s-au concentrat în principal pe trei aspecte: lasere Nd:YAG, explorarea noilor medii de câștig și lasere cu ghid de undă; nivelul general de dezvoltare al laserelor cu stare solidă era încă relativ scăzut, în faza de pornire.

În anii 1980, cu progrese continue în tehnologiile cheie ale laserelor semiconductoare, toate laserele cu stare solidă--au intrat într-o perioadă de dezvoltare viguroasă. Odată cu maturizarea tehnologiilor de creștere epitaxială, inclusiv epitaxia cu fascicule moleculare (MBE), depunerea de vapori chimici organici metal{-(MOCVD) și epitaxia fasciculului chimic (CBE), noi structuri și materiale, cum ar fi puțurile cuantice (QW) și puțurile cuantice cu strat tensionat{-(SLQW) au apărut continuu din reducerea eficienței LD, creșterea semnificativă a puterii, creșterea semnificativă a puterii niveluri de miliwați la aproape o sută de wați și prelungind semnificativ durata de viață. Cercetările privind toate laserele cu stare-solidă-a acoperit aproape toate aspectele tehnologiei laser, inclusiv dezvoltarea de noi materiale laser cu stare solidă-și tehnologii de conversie a frecvenței optice neliniare. Cercetătorii au folosit diferite medii de amplificare, cum ar fi Nd:YLF, Nd:YVO4_44​ și Nd:YAG (tijă și placă), combinate cu tehnologia de comutare Q-, pentru a obține puteri de vârf de 1,06 μm lasere pulsate care depășesc zeci de kilowați. În plus, au fost efectuate cercetări pe lasere cu ioni precum Ho, Tm{3+^{3+}3+ și Er{3+^{{3+}3+, obținând o ieșire laser în benzile de 2 μm și 2,82 μm. În domeniul conversiei de frecvență optică neliniară, în principal generația de armonică a doua Nd:YAG de 1064 nm/946 nm a produs lumină verde de 532 nm și lumină albastră de 473 nm. În 1987, Hanson[34]^{[34]}[34] a folosit structura Nd:YAG pompată lateral LD-pentru a obține un laser pulsat de 1064 nm, apoi a plasat cristal de dublare KTP în interiorul cavității pentru a obține o ieșire de lumină verde de 532 nm cu o putere de vârf de 3 W. Kozlovsky și colab. Tehnologia de dublare rezonantă cu cristale MgO:Li și cavitate externă pentru a obține o ieșire de lumină verde de 532 nm în modul unic-longitudinal- de 2 mW. În 1987, Fan și Byer[36]^{[36]}[36] au propus teoria sistemului cvasi{-trei{-nivele și au folosit experimental LD{-pompat Nd:YAG unic{-fibră cristalină pentru a obține 946 nm de ieșire a laserului albastru, prevăzând că puterea de lumină albastră poate fi obținută. Risk și colab.[37]^{[37]}[37] au folosit LiIO3_33​ ca cristal de dublare pentru a obține o ieșire laser de 473 nm prin dublarea intracavității. Dezvoltarea tuturor laserelor cu fibre-solide-a fost relativ lentă în această etapă.

Din anii 1990 până în prezent, cu laserele cu semiconductori devenind din ce în ce mai mature, laserele cu stare solidă LD-pompată- au intrat într-o fază de dezvoltare rapidă, trecând către direcții de miniaturizare, putere mare și lungimi de undă multi{-, trecând la practicarea și industrializarea, înlocuind treptat lămpile tradiționale cu laser cu pompare. Printre acestea, laserele miniaturizate și cu stare solidă-de putere medie-utiliză în mod obișnuit pomparea finală-pentru a obține o calitate superioară a fasciculului și o eficiență de conversie mai mare a ieșirii laser. Tehnologiile pentru obținerea laserelor cu stare-de putere mare{-solid{-includ de obicei lasere cu mai multe-tije Nd:YAG sau Yb:YAG, lasere cu plăci și disc, lasere cu amplificator de putere a oscilatorului principal (MOPA) și cu fibre Yb{{3+^3+^{3+1 cu fibre duble lasere. În prezent, puterea medie de-la ieșire a laserului de mare putere atinge nivelul de zece-kilowați, cu aplicațiile extinzându-se de la procesarea industrială la arme cu laser și fuziune nucleară controlată. Între timp, odată cu apariția cristalelor neliniare de{23}}înaltă calitate, inclusiv LBO, BBO, BiBO și CLBO, combinând toate-laserele-solid-de înaltă performanță cu tehnologia de conversie a frecvenței optice neliniare, a extins lungimea de undă și domeniul de aplicare a laserului LD}28}{2}{2}{26}{7}. În prezent, dezvoltarea laserelor cu stare solidă-solid-roșii, verzi și albastre este relativ matură, utilizată pe scară largă în câmpurile de afișare cu laser, medicale, de detectare a oceanelor și de stocare de-înaltă densitate. Pentru obținerea luminii ultraviolete prin tehnologia de conversie a frecvenței neliniare, deși au fost comercializate lasere ultraviolete cu bandă de 266 nm și 355 nm cu stare solidă, înlocuind laserele cu excimeri în unele domenii de aplicație, laserele cu ultraviolete cu lungime de undă scurtă cu toate{{39}nm{39}}solid{40} au nevoie în continuare de dezvoltare și potenţialul lor de aplicare. Instrumente complementare, cum ar fi becul UV de 222 nm, susțin o adoptare mai largă în contexte non{43}}laser.

1.3 Progresul cercetării privind laserele cu stare solidă-pompată cu ultraviolet adânc LD-

Laserele ultraviolete profunde, datorită lungimii de undă scurte (referindu-se în mod obișnuit la banda UVC sub 280 nm), a energiei fotonului unic-înaltă și a efectelor termice scăzute, au avantaje unice de neînlocuit în aplicații precum analiza spectroscopiei Raman, stocarea datelor optice, spectroscopia de înaltă-rezoluție și prelucrarea medicală de precizie. câmpuri[38−53]^{[38-53]}[38−53]. Combinarea tuturor laserelor cu stare-solidă-cu tehnologia de conversie a frecvenței optice neliniare este în prezent cea mai comună metodă de a obține ieșiri cu laser ultraviolete în-toate-state. Are aceleași avantaje ca toate laserele cu stare-solidă-, cum ar fi dimensiuni mici, greutate redusă, eficiență ridicată, performanță stabilă, fiabilitate bună, durată lungă de viață, operare ușoară, funcționare flexibilă, inteligență ușoară și lipsă de poluare, ceea ce o face una dintre cele mai potențiale surse de laser de-generație. Datorită avantajelor unice și perspectivelor largi de aplicare ale tuturor laserelor cu ultraviolete profunde-solid-, țările din întreaga lume au investit resurse financiare și forțe de muncă semnificative în cercetare. Cercetătorii din diferite țări au explorat pe larg performanța laserului sub diferite tipuri de medii laser (tijă, disc subțire, ceramică și fibre), diferite structuri de cavitate și diferite cristale neliniare, obținând multe rezultate constructive. Următoarele le rezumă clasificate după diferite medii de câștig dopate și sisteme de nivel de energie laser. Tabelul 1.1 și Tabelul 1.2 prezintă progresul cercetării asupra laserelor ultraviolete profunde cu stare solidă-obținute din banda de 1,06 μm a sistemului cu patru-nivele și, respectiv, banda de 0,9 μm a sistemului de cvasi{-trei-niveluri de Nd{}3+, respectiv, media de câștig Nd{}3+^doped. Tabelul 1.3 enumeră progresul cercetării privind laserele ultraviolete profunde cu stare solidă obținute prin combinarea laserelor media cu câștig dopat Yb{3+^{3+}3+-cu tehnologia de conversie a frecvenței optice neliniare.

Tabel 1.1 Progresul cercetării privind laserele cu stare solidă-deep ultraviolete cu Nd3+^{3+}3+-Medii de câștig dopate în sisteme cu patru-nivele

Tabel 1.2 Progresul cercetării privind laserele cu stare solidă-deep ultraviolete cu Nd3+^{3+}3+-Medii de câștig dopate în sisteme cu aproape-trei-nivele

Tabel 1.3 Progresul cercetării privind laserele cu stare solidă-deep ultraviolet cu Yb3+^{3+}3+-Medii de câștig dopate

Din rezumatul literaturii din Tabelul 1.1, laserele ultraviolete profunde cu stare solidă{3+^{{{3+}{3+-dopate în sisteme cu patru-niveluri obțin în principal lumină ultravioletă adâncă de 266 nm și 213 nm prin conversii multiple de frecvență ale laserului de 1,06 nm, printre care laser de 1,064 nm. studiat pe larg și a atins niveluri înalte.