Forskare från Institute of Space Information Innovation of the Chinese Academy of Sciences (CAS) och University of Chinese Academy of Sciences (UCAS) har skapat ett kompakt fast tillstånd nanosekund pulserat lasersystem som genererar 193 nm koherent ljus vid en repetitionsfrekvens på 6 kHz, vilket förväntas användas inom fältet för chip-lithytte i framtiden.
Specifikt har forskarna utvecklat en YB: YAG -kristallförstärkare som genererar en 1030 nm -laser som är uppdelad i två delar: en som genererar en 258 nm laser genom den fjärde harmoniken, och en som används för att pumpa en lätt parametrisk förstärkare som kan generera en 1553 nm laser. Frekvensblandning av dessa balkar i kaskadkristallen producerar en 193 nm laser med en genomsnittlig effekt på 70 MW och en linjebredd på mindre än 880 MHz.
Genom att införa en spiralformad fasplatta i strålen 1553 nm före frekvensblandning genererade forskarna en orbital vinkelmomentstråle.
Såvitt forskarnas kunskap är detta den första demonstrationen av en 193 nm orbital vinkelmomentstråle från en solid-state laser.
En sådan stråle är värdefull för spännande hybrid argon fluorid (ARF) excimerlasrar och har potentiella tillämpningar vid skivbehandling och defektdetektering.
ARF är en excimer -laser med en våglängd på 193 nm, som finns i det djupa ultravioletta bandet. Vid halvledartillverkning används ARF-lasrar huvudsakligen för högupplöst litografi.
Det noteras också att systemets operativa bandbredd är mindre än 880 MHz, och dess spektrala renhetsprestanda är jämförbar med dagens kommersiella system. Samtidigt upptar systemet en optisk plattform på cirka 1200 mm x 1800 mm, och dess fotavtryck kan reduceras ytterligare för att uppfylla kraven i industriella tillämpningar.
Konverteringsprocessen från en 1030 nm -laser till en laser från 193 nm beskrivs som mycket lik tidigare arbete av forskare.
Specifikt är en 1030 nm laserförstärkare baserad på en 2mmx2mmx30mm YB: YAG Crystal pumpad av en 100 W multimodlaserdiode (LD) vid 969 nm i puls.
Det är viktigt att notera att pumpning - är en process som använder ljus för att höja elektroner från lägre till högre energinivåer i en atom eller molekyl.
I studien kunde forskarna generera en 258 nm-laser från en 1030 nm laser genom successiv andra-harmonisk generation och fjärde-harmonisk generationsprocesser i litiumtriboratkristaller respektive litium cesiumhexaborat. 1030 nm-lasrar kan också användas som en pumpkälla för tvåstegs optiska parametriska förstärkare för att leverera en högdriven, pulserad 1553 nm laser.
Till skillnad från den fiberoptiska förstärkaren använde forskarna en laserkälla baserad på en optisk parametrisk förstärkare för att generera den 1553 nm subwatt pulserade lasern.
Som ett resultat av denna modifiering blev systemet mer kompakt, och elektroniska styrenheter behövdes inte längre för att synkronisera 1553 nm och 258 nm pulståg i summan-frekvensgenereringen, som kunde åstadkommas med en optisk fördröjningslinje. (Obs: Harmonic Generation är en olinjär optisk process.)
Den tvåstegs sume-frekvensgenereringsprocessen, pumpad av 1553 nm och 258 nm-lasrar, kan generera 221 nm-lasrar respektive 193 nm-lasrar genom användning av en kaskad litiumtriboratkristall.
För den 1553 nm pulserade laserkällan består den av två delar: en kontinuerlig våg (CW) enfrekvens distribuerad återkopplingslaserdiode som fungerar som en frökälla och en tvåstegs optisk parametrisk förstärkare baserad på en periodiskt polariserad litium-niobatkristall.
Den enstaka frekvensdistribuerade återkopplingslaserdioden fungerar vid 1553 nm och avger en genomsnittlig effekt på 12 MW. I studien infördes en 1030 nm pumplaser i en 1mmx1mmx40mm periodvis polariserad litium -niobatkristall tillsammans med frölaseren för att bilda det första steget i den optiska parametriska förstärkaren.
Under denna tid filtrerades den amplifierade signallaseren ut ur utgången från det första steget i den optiska parametriska förstärkaren och det andra steget av den optiska parametriska förstärkaren genom en speciell optisk, en dikroisk spegel, åtföljd av den resterande pumplaseren och en 3- μm iDler.
Därefter använde forskarna en laserkraftsond för att bestämma kraften hos signallaseren för att skilja den pulserade signalkomponenten från den kontinuerliga vågen frölaser.
På grund av pumplaserens låga driftscykel och den svaga kraften hos frölaseren var pumptröskeln för den optiska parametriska förstärkaren nära 600 MW. (Obs: Tullcykel är förhållandet mellan tiden signalen är på en hög nivå under en pulscykel till hela pulscykeltiden och uttrycks vanligtvis i procent.)
Med en pumplaser med en genomsnittlig effekt på cirka 700 MW erhöll forskarna mer än pulsenergin från det första steget i den optiska parametriska förstärkaren, motsvarande en genomsnittlig effekt på 48 MW.
Den amplifierade pulssignalen amplifierades sedan ytterligare i det andra steget av den optiska parametriska förstärkaren, där en maximal pumpkraft på 3 W erhölls med användning av ytterligare 5mmx3mmx30mm periodiskt polariserat litium -niobatkristall.
Samtidigt höll forskarna pumplaserkraftdensiteten i det andra steget av den optiska parametriska förstärkaren nära 30 MW/cm² för att undvika fotorefraktiv skada från det periodiskt polariserade litium -niobatet. (Obs: Fotorefraktiv skada är en oönskad optisk effekt som uppstår när ett fotorefraktivt material utsätts för starkt ljus.)
Bild|Signallaserens genomsnittliga kraft i det andra steget i den optiska parametriska förstärkaren kontra pumpkraft (källa: Advanced Photonics Nexus)
Med detta erhöll forskarna en 700 MW -signallaser vid 1553 nm, motsvarande en effektivitet på 23,3%.
Denna ökning av effektiviteten antyder att utgångseffekten kan förbättras ytterligare när pumpkraften ökar.
Bild|Spektra för frökällan och signallaseren från det första steget i den optiska parametriska förstärkaren och det andra steget i den optiska parametriska förstärkaren (Credit: Advanced Photonics Nexus)
Forskarna fann att mittvåglängden för den amplifierade signallaseren är densamma som för frölaseren, men spektrumet breddar något.
Även om det parametriska fluorescensbruset kan öka när pumpkraften ökar förblir signal-till-brusförhållandet nära 50 dB.
För att exakt mäta linjebreddutvecklingen för 1553 nm laser under den optiska parametriska amplifieringsprocessen använde forskarna en skanningsinterferometer med en upplösning på cirka 1 MHz och ett fritt spektralområde på 1,5 GHz.
Den initiala linjebredden för den kontinuerliga vågen laser breddar från 180 MHz till 370 MHz respektive 580 MHz under det första steget av den optiska parametriska förstärkaren respektive det andra steget i den optiska parametriska förstärkaren.
Bild|Forskare undersökte pulsvaraktigheten för pump- och signallasrar med en Ingaas fotodetektor (kredit: avancerad fotonik nexus).
På grund av den parametriska övergångsgränsen för den optiska parametriska förstärkarprocessen har signallasrar en brantare pulsfront än pumplasrar, och varaktigheten reduceras från 13,1 ns till 9 ns.
Baserat på detta erhöll forskarna en optisk parametrisk förstärkare-baserad 1553 nm pulserad laser med en genomsnittlig effekt på 700 MW och en pulsvaraktighet på 9 ns, som kan användas som pumpkälla för att generera 193 nm-lasrar.
För att ytterligare utvidga tillämpningen av 193 nm-lasern har forskarna experimentellt visat för första gången en 1553 nm virvelstråle, där det grundläggande Gaussiska läget för det 1553 nm pulserade laseret omvandlas till den luftfasen. läge.
Under denna tid monterades en spiralfasplatta på 25 mm i en flodadapter på 25 mm i en linsadapter på 25,4 mm.
Även om ändarna på spiralfasplattan inte var belagd med en anti-reflekterande beläggning, var överföringen större än 90%.
Det transporterade orbital vinkelmomentet överförs sedan till 221 nm laser och 193 nm laser genom en sume-frekvensgenereringsprocess.
För att verifiera genereringen av virvelstrålar använde forskarna en pyroelektrisk kamera för att registrera strålprofilerna för en 1553 nm laser, en 221 nm laser och en 193 nm laser i olika lägen.
Före införandet av den spiralformade fasplattan uppvisade 1553 nm laser, 221 nm laser och 193 nm laser alla Gaussian -lägesprofiler. (Gaussian Mode -profil hänvisar till ett vanligt strålmönster där ljusintensitetsfördelningen tar formen på en Gaussisk funktion med specifika profilegenskaper.)
Vid införandet av den spiralformade fasplattan omvandlas 1553 nm laserläget och uppvisar en cirkulär intensitetsfördelningstrend som är karakteristisk för Laguerre-Gaussian-läget. (Obs: Laguerre-Gaussian-läget är ett viktigt läge för laserstrålar.)
Vid bestämningen av dess topologiska laddning fann forskarna att diffraktionsmönstret i Laguerre-Gaussian-läget, det så kallade Hermite-Gaussiska (HG, Hermite-Gauss) -läget, kunde erhållas genom att helt enkelt introducera en cylindrisk lins. (Obs: I optik är Hermite-Gauss-läget ett viktigt strålmönster.)
För att minimera effekten av GOUY-fasförskjutningen på Hermite-Gauss-läget är 193 nm laserstrålen initialt fokuserad av en kalciumfluoridslins med en brännvidd på 200 mm. (Obs: Gouy -fasförskjutning är ett specifikt fasförskjutningsfenomen förknippat med Gaussisk strålförökning i optik.)
Eftersom den cylindriska linsen har en kort brännvidd placeras den nära brännpunkten för kalciumfluoridslinsen.
Den cylindriska linsen omvandlar den cirkulära strålen till två ljusa fläckar med ett gap i mitten, vilket indikerar genereringen av en virvelstråle med en topologisk laddning på 1. Detta resultat överensstämmer med 2π -fasförskjutningen av den spiralfasplattan. (Obs: 2π -fasförskjutningen innebär att en våg slutför en full cykel med avseende på den andra.)
På grund av den signifikanta skillnaden i intensitetsfördelning mellan virvelstrålen och det gaussiska läget måste strålen för 258 nm laser förstärkas för att kunna täcka 1553 nm laser, vilket säkerställer bättre överföring av orbital vinkelmoment i sume-frekvensgeneratorn 1 och sume-frekvensgenerator 2.
Emellertid minskade den svagare effekttätheten för 258 nm-lasern jämfört med de fullständiga Gaussiska lägesexperimenten som beskrivs ovan signifikant omvandlingseffektiviteten för sumfrekvensgenereringen till den punkt där forskarna endast erhöll 30 MW av 221 nm laser och 3 MW av 193 nm laser.
Enligt lagen om bevarande av orbital vinkelmoment i olinjära processer är den topologiska laddningen för lasern som genereras av sumfrekvensgenerering lika med summan av de topologiska laddningarna för pumplaseren.
Därför är den topologiska laddningen för 1553 nm laser 1, den topologiska laddningen för 258 nm -lasern är 0 eftersom den är i Gaussian -läge, och den topologiska laddningen för 221 nm -lasern är 1.
Under denna period delas diffraktionsmönstret för 193 nm virvelstrålen upp i tre ljusa fläckar med två mörka luckor däremellan, medan intensitetsfördelningen förblir cirkulär.
Jämfört med den grundläggande virvelstrålen vid 1553 nm förvrängs virvelstrålprofilerna för 221 nm laser och 193 nm-laser oundvikligen under sumfrekvensgenereringsprocessen på grund av fasanpassningen och walk-off-effekterna av den icke-linjära kristallen.
Samtidigt ökar kaskadstrukturen komplexiteten i omloppsmomentomvandlingen i orbital momentum och kan till och med leda till nedbrytning av läget. (Nedbrytning av läge är ett fenomen där egenskaperna för specifika lägen som ursprungligen finns i en optisk vågledare försämras eller avviker från det ideala tillståndet.)
Forskarna tror att det kan vara möjligt att förbättra kvaliteten på lägena som bär orbital vinkelmoment genom att använda kortare kristaller eller genom att använda en separat sume-frekvensgenereringsprocess.
Med tanke på att 1553 nm laser pumpas och förstärks av 1 0 30 nm laser är den totala omvandlingseffektiviteten från 1030 nm laser till 193 nm laser cirka 0,55%. Trots den nuvarande låga omvandlingseffektiviteten, genom att öka pumpkraften för 1030 nm, förväntas därför kraften från 193 nm laser överstiger hundratals milliwatt och eventuellt till och med i storleksordningen Watts.
Dessutom kommer användningen av olinjära kristaller med högre olinjära koefficienter avsevärt att förbättra genomförbarheten av att uppnå detta mål.
Samtidigt, genom att sätta in en spiralformad fasplatta, kan det gaussiska läget omvandlas till ett laguerre-gaussiskt läge, vilket möjliggör generering av en 1553 nm virvelstråle som bär orbital vinkelmoment.
Genom att ändra fasförskjutningen för den spiralformade fasplattan kan ordningen på den topologiska laddningen enkelt ändras. Tidigare studier har rapporterat att strålar som bär orbital vinkelmoment kan förstärkas i enkristallfibrer och kväveplasma, vilket antyder att 193 nm virvelstrålen också kan förstärkas i excimer-lasrar.
Baserat på detta räknar forskare att 193 nm -lasern skulle kunna användas i en mängd nya applikationer, med användning av dess höga effektutgång och unika virvelstrålegenskaper.
