Researchers from the Institute of Space Information Innovation of the Chinese Academy of Sciences (CAS) and the University of Chinese Academy of Sciences (UCAS) have created a compact solid-state nanosecond pulsed laser system that generates 193 nm coherent light at a repetition frequency of 6 kHz, which is expected to be used in the field of chip lithography in the future.
По -конкретно, изследователите са разработили YB: YAG кристален усилвател, който генерира 1030 nm лазер, който е разделен на две части: една, която генерира 258 nm лазер през четвъртия хармоник и тази, която се използва за изпомпване на параметричен усилвател на светлината, способен да генерира лазер от 1553 nm. Честотното смесване на тези лъчи в каскадния кристал произвежда 193 nm лазер със средна мощност 70 mW и широчина на линията под 880 MHz.
Чрез въвеждане на спирална фазова плоча в гредата от 1553 nm преди смесването на честотата, изследователите генерират орбитален ъглов инерционен лъч.
Доколкото знаят на изследователите, това е първата демонстрация на 193 nm орбитален ъглов инерционен лъч от твърд лазер.
Такъв лъч е ценен за вълнуващи лазери на Hybrid Argon Fluoride (ARF) и има потенциални приложения при обработката на вафли и откриване на дефекти.
ARF е ексимерна лазер с дължина на вълната 193 nm, която е в дълбоката ултравиолетова лента. При производството на полупроводници ARF лазерите се използват главно за литография с висока разделителна способност.
Отбелязва се също, че експлоатационната честотна лента на системата е по -малка от 880 MHz, а неговата спектрална чистота е сравнима с тази на днешните търговски системи. В същото време системата заема оптична платформа от приблизително 1200 мм х 1800 мм, а неговият отпечатък може да бъде допълнително намален, за да отговори на изискванията на индустриалните приложения.
Процесът на преобразуване от 1030 nm лазер към 193 nm лазер е описан като много подобен на предишната работа от изследователите.
По -конкретно, 1030 nm лазерен усилвател на базата на 2mmx2mmx30mm Yb: YAG кристал, изпомпван от 100 W мултимоден лазерен диод (LD) при 969 nm, е в състояние да достави повече от 14 W 1030 nm импулсна лазерна светлина с повторение на честотата от 6 kHz и пулса на пулса от 13,1 NS.
Важно е да се отбележи, че изпомпването - е процес, който използва светлина за повдигане на електрони от по -ниски до по -високи енергийни нива в атом или молекула.
В проучването изследователите успяха да генерират 258 nm лазер от 1030 nm лазер чрез последователно поколение в второто хармонично генериране и четвърто-хармонично генериране в кристали на литий трибута и литиев цезиев шестнадесетичен, съответно. 1030 nm лазерите също могат да се използват като източник на изпомпване за двустепенни оптични параметрични усилватели, за да се доставят високомощни, импулсен 1553 nm лазер.
За разлика от оптичния усилвател, изследователите използваха лазерен източник, базиран на оптичен параметричен усилвател, за да генерират 1553 nm подуат-пулсиран лазер.
В резултат на тази модификация системата стана по-компактна и електронните контролери вече не са били необходими за синхронизиране на 1553 nm и 258 nm пулсови влакове в производството на суми, които могат да бъдат изпълнени с помощта на оптична линия за забавяне. (Забележка: Хармоничното генериране е нелинеен оптичен процес.)
Двуетапният процес на генериране на суми, изпомпван от 1553 nm и 258 nm лазери, може да генерира съответно 221 nm лазери и 193 nm лазери, чрез използването на каскаден кристал на литиевия трибут.
За източника на лазерен източник от 1553 nm се състои от две части: еднократна диодна диода, която се разпределя с непрекъсната вълна (CW), действаща като източник на семена, и двустепенен оптичен параметричен усилвател, базиран на периодично поляризиран литиев кристал.
Лазерният диод за разпространение на еднократна честота работи при 1553 nm и излъчва средна мощност от 12 MW. В проучването е въведен 1030 nm помпа лазер в 1MMX1MMX40MM периодично поляризиран литиев ниобатен кристал заедно със семенния лазер, за да образува първия етап на оптичния параметричен усилвател.
През това време амплифицираният сигнал лазер се филтрира от изхода на първия етап на оптичния параметричен усилвател и вторият етап на оптичния параметричен усилвател през специален оптичен, дихроично огледало, придружено от лазера на остатъчния помпа и {{0} μm празен лазер.
Впоследствие изследователите използваха лазерна сонда за мощност, за да определят силата на сигналния лазер, за да се разграничат компонента на импулсен сигнал от лазера на семената с непрекъсната вълна.
Поради ниския цикъл на лазера на помпата и слабата мощност на семенния лазер, прагът на изпомпване на оптичния параметричен усилвател е близо до 600 MW. (Забележка: работен цикъл е съотношението на времето, което сигналът е на високо ниво по време на импулсен цикъл към цялото време на импулсен цикъл и обикновено се изразява като процент.)
С лазер на помпа при средна мощност от около 700 MW, изследователите получиха повече от импулсната енергия от първия етап на оптичния параметричен усилвател, съответстващ на средна мощност от 48 MW.
След това амплифицираният импулсен сигнал се усилва допълнително във втория етап на оптичния параметричен усилвател, където се получава максимална мощност на помпата 3 W, като се използва още 5 mmx3mmx30mm периодично поляризиран литиев ниобатен кристал.
В същото време изследователите запазиха плътността на мощността на лазерната помпа във втория етап на оптичния параметричен усилвател близо до 30 MW/cm², за да избегнат фоторефрактивни увреждания от периодично поляризирания литиев ниобат. (ЗАБЕЛЕЖКА: Фоторефрактивната повреда е нежелателен оптичен ефект, който възниква, когато фоторефрактивен материал е изложен на ярка светлина.)
Изображение|Средна мощност на сигналния лазер във втория етап на оптичния параметричен усилвател спрямо мощността на помпата (Източник: Advanced Photonics Nexus)
С това изследователите получиха 700 MW сигнал за лазер при 1553 nm, което съответства на ефективността от 23,3%.
Това увеличение на ефективността предполага, че изходната мощност може да бъде допълнително подобрена с увеличаване на мощността на помпата.
Изображение|Спектри на източника на семена и сигналния лазер от първия етап на оптичния параметричен усилвател и вторият етап на оптичния параметричен усилвател (кредит: Advanced Photonics Nexus)
Изследователите откриха, че централната дължина на вълната на амплифицирания сигнал лазер е същата като тази на семенния лазер, но спектърът леко се разширява.
Въпреки че параметричният шум от флуоресценция може да се увеличи с увеличаването на мощността на помпата, съотношението сигнал / шум остава близо до 50 dB.
За да измерват точно еволюцията на широчината на линията на лазера от 1553 nm по време на процеса на оптично параметрично усилване, изследователите използваха сканиращ интерферометър с резолюция от около 1 MHz и свободен спектрален диапазон от 1,5 GHz.
Първоначалната широчина на линията на лазера с непрекъсната вълна се разширява от 180 MHz до 370 MHz и 580 MHz по време на първия етап на оптичния параметричен усилвател и вторият етап на оптичния параметричен усилвател.
Изображение|Изследователите изследват продължителността на пулса на лазери по помпа и сигнал с фотодетектор INGAAS (Кредит: Advanced Photonics Nexus).
Поради параметричния праг на прехода на процеса на оптичния параметричен усилвател, сигналните лазери имат по -стръмен импулс отпред от помпените лазери и продължителността се намалява от 13,1 ns до 9 ns.
Въз основа на това изследователите получиха оптичен параметричен усилвател на базата на усилвател 1553 nm импулсен лазер със средна мощност 700 MW и продължителност на импулса 9 ns, което може да се използва като източник на помпа за генериране на 193 nm лазери.
За да разширят по-нататъшното приложение на 193 nm лазера, изследователите експериментално демонстрират за първи път 1553 nm вихров лъч, в който основният гаусски режим на 1553 nm пулсиран лазер се превръща в режим Laguerre-Gaussian (LG), носещ орбитален усилен импулс, чрез въвеждане на Helical Place, след като орбитален ъглов импулс. режим.
През това време спиралната фазова плоча с диаметър 25 мм се монтира в адаптер с диаметър 25,4 мм.
Въпреки че краищата на спиралната фазова плоча не са покрити с анти-отразяващо покритие, предаването му е по-голямо от 90%.
След това носеният орбитален ъглов импулс се прехвърля в 221 nm лазер и 193 nm лазер чрез процес на генериране на честота.
За да проверят генерирането на вихрови лъчи, изследователите използваха пироелектрическа камера, за да запишат профилите на лъча на лазер от 1553 nm, 221 nm лазер и 193 nm лазер в различни режими.
Преди поставянето на спиралната фазова плоча, лазерът от 1553 nm, 221 nm лазер и 193 nm лазер излагат профили на гаусски режим. (Профилът на Gaussian Mode се отнася до общ модел на лъча, при който разпределението на интензивността на светлината придобива формата на гаусска функция със специфични характеристики на профила.)
При поставяне на спиралната фазова плоча 1553 nm лазерен режим се преобразува и проявява тенденция на разпределение на кръговата интензивност, която е характерна за режима на Laguerre-Gaussian. (Забележка: Режимът на Laguerre-Gaussian е важен режим за лазерни лъчи.)
При определяне на неговия топологичен заряд изследователите откриха, че дифракционният модел на режим Laguerre-Gaussian, така нареченият хермит-гаусски (HG, Hermite-Gauss), може да бъде получен чрез просто въвеждане на цилиндрична леща. (Забележка: В оптиката режимът на хермит-гаус е важен модел на лъча.)
За да се сведе до минимум ефекта от изместването на фазата на Gouy върху режима на хермит-гаус, лазерният лъч от 193 nm първоначално е фокусиран от леща с калциев флуорид с фокусно разстояние от 200 mm. (Забележка: Gouy фазовото изместване е специфично явление на фазовото изместване, свързано с разпространението на гаусски лъч в оптиката.)
Тъй като цилиндричната леща има кратко фокусно разстояние, тя се поставя в близост до фокусната точка на обектива на калциев флуорид.
Цилиндричната леща преобразува кръговия лъч в две ярки петна с празнина в центъра, което показва генерирането на вихров лъч с топологичен заряд от 1. Този резултат е в съответствие с 2π фазовото изместване на спиралната фазова плоча. (Забележка: 2π фазовото изместване предполага, че една вълна завършва пълен цикъл по отношение на другата.)
Поради значителната разлика в разпределението на интензивността между вихровия лъч и гаусския режим, лъчът на 258 nm лазера трябва да бъде амплифициран, за да може да покрие лазера 1553 nm, като се гарантира по-добър трансфер на орбитален ъглов импулс в генератора на сумата-1 и сумата-честотна генератор 2.
Въпреки това, по-слабата плътност на мощността на 258 nm лазера в сравнение с експериментите с пълния гаусски режим, описани по-горе, значително намалява ефективността на конверсия на генерирането на сумата до точката, в която изследователите са получили само 30 MW 221 nm лазер и 3 MW от 193 nm лазер.
Според закона за опазване на орбиталния ъглов импулс в нелинейните процеси, топологичният заряд на лазера, генериран от генериране на сума, е равен на сумата от топологичните заряди на лазера на помпата.
Следователно, топологичният заряд на лазера от 1553 nm е 1, топологичният заряд на 258 nm лазера е 0, защото е в гаусски режим, а топологичният заряд на 221 nm лазера е 1.
През този период моделът на дифракция на вихровия лъч от 193 nm е разделен на три ярки петна с две тъмни пролуки между тях, докато разпределението на интензивността остава кръгово.
В сравнение с основния вихър лъч при 1553 nm, профилите на вихровия лъч на 221 nm лазера и 193 nm лазер неизбежно се изкривяват по време на процеса на генериране на честота поради фазовото несъответствие и въздействието на нелинейния кристал.
В същото време каскадната структура увеличава сложността на конверсията на орбиталния ъглов импулс и дори може да доведе до разграждане на режима. (Разграждането на режима е явление, при което свойствата на специфичните режими първоначално присъстват в оптичния вълновода влошават или се отклоняват от идеалното състояние.)
Изследователите смятат, че е възможно да се подобри качеството на режимите, носещи орбитален ъглов импулс чрез използване на по-къси кристали или чрез използване на отделен процес на генериране на честота.
Като се има предвид, че лазерът от 1553 nm се изпомпва и усилва от 1 0 30 nm лазер, общата ефективност на конверсия от 1030 nm лазер към 193 nm лазер е около 0,55%. Следователно, въпреки текущата ниска ефективност на преобразуване, чрез увеличаване на мощността на помпата на 1030 nm, силата на лазера от 193 nm се очаква да надвишава стотици милиута и вероятно дори от порядъка на Watts.
В допълнение, използването на нелинейни кристали с по -високи нелинейни коефициенти ще подобри значително осъществимостта на постигането на тази цел.
В същото време, като поставите спирална фазова плоча, режимът на Гаус може да бъде преобразуван в режим Laguerre-Gaussian, което позволява генерирането на 1553 nm вихров лъч, носещ орбитален ъглов импулс.
Чрез промяна на фазовото изместване на спиралната фазова плоча, редът на топологичния заряд може лесно да бъде променен. Предишни проучвания съобщават, че лъчите, носещи орбитален ъглов импулс, могат да бъдат амплифицирани в еднокристални влакна и азотни плазми, което предполага, че 193 nm вихровия лъч също могат да бъдат усилени в ексимерни лазери.
Въз основа на това изследователите предвиждат, че 193 nm лазерът може да се използва в различни нови приложения, използвайки високата си мощност и уникалните характеристики на вихровия лъч.
