Исследователи из Института космической информации Инновации китайской академии наук (CAS) и Университета китайской академии наук (UCAS) создали компактную твердотельную наносекундную лазерную систему, которая генерирует 193 нм когерентный свет на частоте повторения 6 кГц, которая, как ожидается, будет использоваться в области литхографии чип-литографии в будущем.
В частности, исследователи разработали усилитель кристалля YB: YAG, который генерирует лазер 1030 нм, который разделен на две части: одна, которая генерирует лазер 258 нм через четвертую гармонику, и один, который используется для накачки легкого параметрического усилителя, способного генерировать ласер 1553 нм. Частотное смешивание этих лучей в каскадном кристалле создает лазер 193 нм со средней мощностью 70 МВт и шириной линии менее 880 МГц.
Внедрив спиральную фазовую пластину в луч 1553 нм перед смешиванием частоты, исследователи генерировали орбитальный угловой луча импульса.
Насколько известно исследователям, это первая демонстрация орбитального оборотного луча импульса 193 нм из твердого лазера.
Такой луч полезен для захватывающих гибридных фторидных фторидов (ARF) эксимерных лазеров и обладает потенциальными применениями в обработке пластин и обнаружении дефектов.
ARF - это эксимерный лазер с длиной волны 193 нм, которая находится в глубокой ультрафиолетовой полосе. В производстве полупроводников лазеры ARF в основном используются для литографии с высоким разрешением.
Также отмечается, что рабочая полоса пропускания системы составляет менее 880 МГц, а ее спектральная чистота сравнится с показателями современных коммерческих систем. В то же время система занимает оптическую платформу приблизительно 1200 мм x 1800 мм, и ее площадь может быть дополнительно сокращена для удовлетворения требований промышленных применений.
Процесс преобразования из лазера 1030 нм в лазер 193 нм описывается как очень похожий на предыдущую работу.
В частности, лазерный усилитель 1030 нм, основанный на 2 ммх2 ммм, 30 мм YB: YAG, накачанный многомодовым лазерным диодом 100 Вт при 969 нм, способен обеспечить более 14 Вт из пульсированного лазерного света 1030 нм с частотой повторения 6 кхц и пульсовой длиной 13,1 NS.
Важно отметить, что накачка - это процесс, который использует свет для повышения электронов от более низких до более высоких уровней энергии в атом или молекуле.
В исследовании исследователи смогли генерировать лазер 258 нм от лазера 1030 нм за последующим поколением второго хармонического и четвертого генерального поколения в кристаллах лития и хексабата литий и хексабата лития. Лазеры 1030 нм также могут использоваться в качестве источника накачки для двухэтапных оптических параметрических усилителей, чтобы доставить мощный, импульсный лазер 1553 нм.
В отличие от волоконно-оптического усилителя, исследователи использовали лазерный источник, основанный на оптическом параметрическом усилителе для генерации пульсного лазера 1553 нм.
В результате этой модификации система стала более компактной, и электронные контроллеры больше не были необходимы для синхронизации импульсных поездов 1553 нм и 258 нм в суммированной генерации, которая может быть достигнута с использованием линии оптической задержки. (Примечание: Генерация гармоник - это нелинейный оптический процесс.)
Двухэтапный процесс генерации суммирования, накачанный на 1553 нм и 258 нм лазеры, может генерировать 221 нм лазеры и 193 нм лазеры, соответственно, благодаря использованию каскадного кристалла лития племени.
Для импульсного лазерного источника 1553 нм он состоит из двух частей: одночастотный диод с непрерывной волной (CW) распределенной обратной связи, действующий в качестве источника семян, и двухэтапного оптического параметрического усилителя на основе периодически поляризованного кристалла Lithium niobate.
Одночастотный диод распределенной обратной связи работает на уровне 1553 нм и издает среднюю мощность 12 МВт. В исследовании был введен лазер насоса 1030 нм в периодически поляризованный кристалл лития ниобата на 1 мм1 мм40 мм вместе с лазером семян с образованием первой стадии оптического параметрического усилителя.
В течение этого времени амплифицированный сигнальный лазер отфильтровали из вывода первой стадии оптического параметрического усилителя и второй стадии оптического параметрического усилителя через специальную оптическую, дихроическое зеркало, сопровождаемое лазером остаточного наскам.
Впоследствии исследователи использовали лазерный датчик мощности, чтобы определить силу сигнального лазера, чтобы отличить импульсный сигнальный компонент от лазера непрерывной волны.
Из -за низкого рабочего цикла лазера насоса и слабой мощности семян лазер, порог накачки оптического параметрического усилителя был близок к 600 МВт. (Примечание: рабочее цикл - это отношение времени, когда сигнал находится на высоком уровне во время цикла импульса ко всему времени импульса, и обычно выражается в процентах.)
С лазером насоса при средней мощности около 700 мВт исследователи получили больше, чем энергия импульса с первой стадии оптического параметрического усилителя, что соответствует средней мощности 48 МВт.
Затем амплифицированный импульсный сигнал был дополнительно амплифицирован во второй стадии оптического параметрического усилителя, где была получена максимальная мощность насоса 3 Вт с использованием еще 5 ммх3 мммм.
В то же время исследователи сохранили плотность мощности лазера насоса во втором этапе оптического параметрического усилителя около 30 мВт/см², чтобы избежать фоторефрактивного повреждения от периодически поляризованного литий -ниубата. (Примечание: фоторефракционное повреждение является нежелательным оптическим эффектом, который возникает, когда фоторефрактивный материал подвергается воздействию яркого света.)
Изображение|Средняя мощность сигнального лазера во втором этапе оптического параметрического усилителя в сравнении с мощностью насоса (источник: Advanced Photonics Nexus)
При этом исследователи получили сигнальный лазер 700 МВт при 1553 нм, что соответствует эффективности 23,3%.
Это повышение эффективности предполагает, что выходная мощность может быть дополнительно улучшена по мере увеличения мощности насоса.
Изображение|Спектры источника семян и сигнального лазера с первой стадии оптического параметрического усилителя и второй стадии оптического параметрического усилителя (кредит: Advanced Photonics nexus)
Исследователи обнаружили, что центральная длина волны амплифицированного сигнального лазера такая же, как у семянного лазера, но спектр слегка расширяется.
Хотя параметрический флуоресцентный шум может увеличиваться с увеличением мощности насоса, отношение сигнал / шум остается близко к 50 дБ.
Чтобы точно измерить эволюцию ширины линейки лазера 1553 нм во время процесса оптической параметрической амплификации, исследователи использовали сканирующий интерферометр с разрешением около 1 МГц и свободным спектральным диапазоном 1,5 ГГц.
Первоначальная ширина линии лазера непрерывной волны расширяется с 180 МГц до 370 МГц и 580 МГц на первом этапе оптического параметрического усилителя и второй стадии оптического параметрического усилителя, соответственно.
Изображение|Исследователи исследовали продолжительность импульса лазеров насоса и сигналов с помощью фотоприемника Ingaas (кредит: Advanced Photonics nexus).
Из -за параметрического порога перехода процесса оптического параметрического усилителя, сигнальные лазеры имеют более крутой импульс, чем насосные лазеры, а продолжительность уменьшается с 13,1 нс до 9 нс.
Основываясь на этом, исследователи получили оптический параметрический усилитель на основе 1553 нм-импульсного лазера со средней мощностью 700 МВт и продолжительностью импульса 9 нс, который может использоваться в качестве источника насоса для генерации лазеров 193 нм.
Чтобы дополнительно расширить применение лазера 193 нм, исследователи впервые продемонстрировали вихревой луча 1553 нм, в котором фундаментальный гауссовый режим 1553 нм-импульсного лазера преобразуется в режиму Laguerre-Gaussian (LG), переносимый orbital Momular Momentum, введя введенный паразовый параппимер после оптимальной пластики. режим.
В течение этого времени спиральная фазовая пластина диаметром 25 мм была установлена в адаптере объектива диаметром 25,4 мм.
Несмотря на то, что концы спиральной фазовой пластины не были покрыты анти-рефлексивным покрытием, ее передача была более 90%.
Переноженный орбитальный угловой импульс затем переносится в лазер 221 нм и 193 нм лазер в процессе генерации, которые часто часто часто.
Чтобы проверить генерацию вихревых балок, исследователи использовали пироэлектрическую камеру для записи профилей луча лазера 1553 нм, лазера 221 нм и лазера 193 нм в разных режимах.
Перед введением спиральной фазовой пластины лазер 1553 нм, лазер 221 нм и 193 нм лазер выставлял гауссовые профили мод. (Гауссовый профиль режима относится к общему шаблону луча, при которой распределение интенсивности света принимает форму гауссовой функции с конкретными характеристиками профиля.)
После введения спиральной фазовой пластины преобразован режим 1553 нм и демонстрирует тенденцию распределения круговой интенсивности, которая характерна для режима Laguerre-Gaussian. (Примечание: режим Laguerre-Gaussian является важным режимом для лазерных лучей.)
При определении его топологического заряда исследователи обнаружили, что дифракционная картина режима Laguerre-Gaussian, так называемого режима Hermite-Gaussian (HG, Hermite-Gauss), может быть получена путем простого введения цилиндрической линзы. (Примечание: в оптике режим Hermite-gauss является важной шаблоном пучка.)
Чтобы свести к минимуму влияние фазового сдвига Гуи на режим гермитового газа, лазерный луч 193 нм первоначально фокусируется на фторидном линзе кальция с фокусным расстоянием 200 мм. (ПРИМЕЧАНИЕ: Фазовый сдвиг Гуи - это специфическое явление фазового сдвига, связанное с распространением гауссового луча в оптике.)
Поскольку цилиндрическая линза имеет короткое фокусное расстояние, он расположен вблизи фокальной точки линзы фторида кальция.
Цилиндрическая линза преобразует круглый луч в два ярких пятна с зазором в центре, что указывает на генерацию вихревого луча с топологическим зарядом 1. Этот результат согласуется с 2π фазовой сдвигом спиральной фазовой пластины. (ПРИМЕЧАНИЕ. Сдвиг 2π фазы подразумевает, что одна волна завершает полный цикл по отношению к другой.)
Из-за значительной разницы в распределении интенсивности между вихревым пучком и гауссовым режимом, луча лазера 258 нм должен быть усилен, чтобы иметь возможность покрыть лазер 1553 нм, обеспечивая лучшую передачу орбитального углового импульса в генераторе часточастости 1 и часточастого генератора 2.
Тем не менее, более слабая плотность мощности лазера 258 нм по сравнению с полными экспериментами по гауссовскому моду, описанным выше, значительно снижала эффективность конверсии суммарной генерации до точки, когда исследователи получили только 30 МВт лазера 221 нм и 3 МВт из 193 нм лазера.
Согласно закону сохранения орбитального углового импульса в нелинейных процессах, топологический заряд лазера, генерируемый суммированной генерацией, равен сумме топологических зарядов лазера насоса.
Следовательно, топологический заряд лазера 1553 нм составляет 1, топологический заряд лазера 258 нм составляет 0, потому что он находится в гауссовом режиме, а топологический заряд лазера 221 нм составляет 1.
В течение этого периода дифракционная картина вихревого пучка 193 нм разделяется на три ярких пятна с двумя темными зазорами между ними, в то время как распределение интенсивности остается круглым.
По сравнению с базовым вихревым пучком при 1553 нм профили вихревого луча 221 нм лазер и 193 нм лазер неизбежно искажены во время процесса генерации суммирования из-за несоответствия фазы и последствий нелинейного кристалла.
В то же время каскадная структура увеличивает сложность преобразования орбитального углового импульса и может даже привести к деградации мод. (Деградация режима - это явление, при котором свойства конкретных мод, первоначально присутствующих в оптическом волноводе, ухудшаются или отклоняются от идеального состояния.)
Исследователи считают, что может быть возможно улучшить качество мод, несущих орбитальные угловые импульсы, используя более короткие кристаллы или с использованием отдельного процесса генерации.
Учитывая, что лазер 1553 нм накачивается и усиливается лазером 1 {4}} 30 нм, общая эффективность преобразования от лазера 1030 нм в лазер 193 нм составляет около 0,55%. Следовательно, несмотря на текущую низкую эффективность конверсии, увеличивая мощность насоса 1030 нм, мощность лазера 193 нм, как ожидается, превысит сотни милливатт и, возможно, даже при порядке ватт.
Кроме того, использование нелинейных кристаллов с более высокими нелинейными коэффициентами значительно улучшит выполнимость достижения этой цели.
В то же время, вставив спиральную фазовую пластину, гауссовый режим может быть преобразован в режим Laguerre-Gaussian, что позволяет генерации вихревого луча вихревого пучка 1553 нм.
Изменив фазовую сдвину в спиральной фазовой пластине, порядок топологического заряда может быть легко изменен. В предыдущих исследованиях сообщалось, что лучи, несущие орбитальный угловой импульс, могут быть усилены в мокристаллических волокнах и азотной плазме, что позволяет предположить, что вихревой пучок 193 нм также может быть усилен в эксимерных лазерах.
Основываясь на этом, исследователи ожидают, что лазер 193 нм можно использовать в различных новых приложениях, используя его высокую мощность и уникальные характеристики луча вихря.
