Hiina Teaduste Akadeemia (CAS) ja Hiina Teaduste Akadeemia Akadeemia (UCAS) kosmoseinfo innovatsiooni instituudi teadlased on loonud kompaktse tahkis-nanosekundi impulss-lasersüsteemi, mis genereerib 193 nm Coherent valgust 6 kHz kordusel, mida tulevikus eeldatakse Chip Lithography's.
Täpsemalt, teadlased on välja töötanud YB: YAG Crystal võimendi, mis genereerib 1030 nm laser, mis jaguneb kaheks osaks: üks, mis genereerib neljanda harmoonilise kaudu 258 nm laser, ja ühe, mida kasutatakse valguse parameetrilise võimendi pumpamiseks, mis on võimeline genereerima 1553 nm laser. Nende talade sageduse segunemine kaskaadikristallides annab 193 nm laseriga keskmise võimsusega 70 MW ja liinilaius alla 880 MHz.
Tutvustades spiraalse faasiplaadi enne sageduse segamist 1553 nm tala, genereerisid teadlased orbitaalse nurgaga impulsi tala.
Teadlaste teada on see 193 nm orbitaalse nurkkiire 193 nm tahkislaserilt.
Selline tala on väärtuslik põneva hübriid argoonifluoriidi (ARF) ekstsimeeride laserite jaoks ning sellel on potentsiaalsed rakendused vahvli töötlemisel ja defektide tuvastamisel.
ARF on ekskmeerimislaser, mille lainepikkus on 193 nm, mis asub sügavas ultraviolettsamblis. Pooljuhtide tootmisel kasutatakse ARF-i lasereid peamiselt kõrge eraldusvõimega litograafia jaoks.
Samuti märgitakse, et süsteemi töötav ribalaius on väiksem kui 880 MHz ja selle spektripuhuse jõudlus on võrreldav tänapäeva kommertssüsteemide omaga. Samal ajal hõivab süsteem optilise platvormi umbes 1200 mm x 1800 mm ja selle jalajälge saab veel vähendada, et täita tööstuslike rakenduste nõudeid.
Konversiooniprotsessi 1030 nm laserist 193 nm laserile kirjeldatakse kui väga sarnast teadlaste varasema tööga.
Täpsemalt, 1030 nm laservõimendi, mis põhineb 2mmx2mmx30mm YB -l: YAG -kristall, mida pumbatakse 100 W multimoodilise laserdioodiga (LD) kiirusel 969 nm, on võimeline kohale toimetama enam kui 14 W 1030 nm impulsslavastusega 6 kHz ja impulsiga.
Oluline on märkida, et pumpamine - on protsess, mis kasutab valgust, et tõsta elektronidelt aatomi või molekuli madalamat energiatasemeni.
Uuringus suutsid teadlased genereerida 1030 nm laseriga 258 nm laseri järjestikuse teise harmoonilise genereerimise ja neljanda harmoonilise põlvkonna protsesside kaudu vastavalt liitiumitriiti kristallides ja liitiumi tseesiumi heksaboraadis. 1030 nm lasereid saab kasutada ka kaheastmelise optilise parameetriliste võimendite pumpamisallikana, et tarnida suure võimsusega, impulsiga 1553 nm laser.
Erinevalt kiudoptilisest võimendist kasutasid teadlased laserallikat, mis põhines optilisel parameetrilisel võimendil, et genereerida 1553 nm alampett impulsslaser.
Selle modifikatsiooni tulemusel muutus süsteem kompaktsemaks ja elektroonilisi kontrollereid ei olnud enam vaja 1553 nm ja 258 nm impulsirongide sünkroniseerimiseks summasageduse genereerimisel, mida saaks saavutada optilise viivitusliini abil. (Märkus: harmooniline genereerimine on mittelineaarne optiline protsess.)
Kaheetapilise summa sageduse genereerimisprotsess, mida pumbatakse 1553 nm ja 258 nm laserid, võib genereerida vastavalt 221 nm laserit ja 193 nm laserit, kasutades kaskaaditud liitiumi tribüüri kristalli.
1553 nm impulsslaseriallika puhul koosneb see kahest osast: pideva laine (CW) ühe sagedusega jaotatud tagasiside laserdiood, mis toimib seemneallikana, ja kaheastmelise optilise parameetrilise võimendi, mis põhineb perioodiliselt polariseeritud liitium-niobaadi kristallil.
Ühe sagedusega jaotatud tagasiside laserdiood töötab kiirusel 1553 nm ja kiirgab keskmist võimsust 12 MW. Uuringus viidi perioodiliselt polariseeritud liitium -niobaadi kristalli 1mmx1mmx40mm 1mmx1mmx40mm koos seemnelaseriga 1030 nm pumba laseriga, et moodustada optilise parameetrilise võimendi esimene etapp.
Selle aja jooksul filtriti amplifitseeritud signaallaser optilise parameetrilise võimendi esimese etapi ja optilise parameetrilise võimendi teise etapi väljundist spetsiaalse optika kaudu, dikroosse peegli kaudu, millele lisanduvad jääkpumba laser ja 3- μm idler.
Seejärel kasutasid teadlased signaalilaseri võimsuse määramiseks laservõimsa sondi, et eristada impulss-signaali komponenti pideva laine seemnelaserist.
Pumbalaseri madala töötsükli ja seemnelaseri nõrga võimsuse tõttu oli optilise parameetrilise võimendi pumpamislävi lähedal 600 MW. (MÄRKUS. Töötsükkel on aeg, mil signaal on impulssitsükli jooksul kõrgel tasemel kogu impulssitsükli aja jooksul ja seda väljendatakse tavaliselt protsentides.)
Pumbalaseriga keskmise võimsusega umbes 700 MW said teadlased optilise parameetrilise võimendi esimesest etapist rohkem kui impulsi energia, mis vastab keskmisele võimsusele 48 MW.
Seejärel amplifitseeriti amplifitseeritud impulsisignaali optilise parameetrilise võimendi teises etapis, kus maksimaalne pumba võimsus 3 W saadi, kasutades veel 5mmx3mmx30mm perioodiliselt polariseeritud liitium -niobaadi kristalli.
Samal ajal hoidsid teadlased pumba laseri võimsuse tihedust optilise parameetrilise võimendi teises etapis 30 MW/cm² lähedal, et vältida perioodiliselt polariseeritud liitium -niobaadi fotorefraktiivseid kahjustusi. (Märkus. Fotorefraktiivne kahjustus on ebasoovitav optiline efekt, mis ilmneb siis, kui fotorefraktiivne materjal on ereda valgusega kokku puutunud.)
Pilt|Signaalilaseri keskmine võimsus optilise parameetrilise võimendi teises etapis versus pumba võimsus (allikas: Advanced Photonics Nexus)
Sellega said teadlased 700 MW signaallaserit kiirusel 1553 nm, mis vastab efektiivsusele 23,3%.
See efektiivsuse suurenemine viitab sellele, et pumba võimsuse suurenemisel saab väljundvõimsust veelgi parandada.
Pilt|Seemneallika ja signaalilaseri spektrid optilise parameetrilise võimendi esimesest etapist ja optilise parameetrilise võimendi teisest etapist (Credit: Advanced Photonics Nexus)
Teadlased leidsid, et amplifitseeritud signaalilaseri keskmine lainepikkus on sama kui seemnelaseril, kuid spekter laieneb pisut.
Kuigi parameetriline fluorestsentsmüra võib pumba võimsuse suurenemisel suureneda, püsib signaali ja müra suhe 50 dB lähedal.
1553 nm laseri rea laiuse arengu täpseks mõõtmiseks optilise parameetrilise võimendusprotsessi ajal kasutasid teadlased skaneerimisinterferomeetrit eraldusvõimega umbes 1 MHz ja vaba spektri vahemik 1,5 GHz.
Pideva laine laseri algne laiuse laieneb vahemikus 180 MHz kuni 370 MHz ja 580 MHz vastavalt optilise parameetrilise võimendi esimesel etapil ja vastavalt optilise parameetrilise võimendi teisel etapil.
Pilt|Teadlased uurisid pumba ja signaallaserite impulsi kestust koos Ingaas PhotoDetectoriga (krediit: Advanced Photonics Nexus).
Optilise parameetrilise võimendi protsessi parameetrilise üleminekuläve tõttu on signaallaseritel järsemad impulsi esiküljed kui pumba laseritel ja kestus väheneb 13,1 ns -lt 9 ns -ni.
Selle põhjal hankisid teadlased optilise parameetrilise võimendipõhise 1553 nm impulsslaseri keskmise võimsusega 700 MW ja impulsi kestusega 9 ns, mida saab kasutada pumbaallikana 193 nm laserite genereerimisel.
193 nm laseri rakenduse edasiseks laiendamiseks on teadlased eksperimentaalselt näidanud esimest korda 1553 nm keerise tala, milles 1553 nm impulsslaseri põhimõtteline režiim muundatakse Laguerre-Gaussi (LG) režiimiks, mis viib orbitaalse ahvatleva momenumiga, mis sisestab optilise momendi, mis on kasutatud optilisele platsile. režiim.
Selle aja jooksul paigaldati 25 mm läbimõõduga spiraalfaasi plaat 25,4 mm läbimõõduga läätse adapterisse.
Ehkki spiraalfaasiplaadi otsad ei olnud kaetud peegeldava kattega, oli selle ülekanne suurem kui 90%.
Seejärel kantakse kantav orbitaalnurkne impulss 221 nm laseriks ja 193 nm laseriks kokkusarviku genereerimise protsessi kaudu.
Vortexi talade genereerimise kontrollimiseks kasutasid teadlased püroelektrilist kaamerat 1553 nm laseri, 221 nm laseriga ja 193 nm laseriga erinevates režiimides.
Enne spiraalse faasiplaadi sisestamist näitasid 1553 nm laser, 221 nm laser ja 193 nm laser Gaussi režiimiprofiilid. (Gaussi režiimi profiil viitab tavalisele tala mustrile, milles valguse intensiivsuse jaotus võtab Gaussi funktsiooni kuju konkreetsete profiiliomadustega.)
Spiraalse faasiplaadi sisestamisel teisendatakse 1553 nm laserrežiim ja sellel on ümmarguse intensiivsuse jaotuse suundumus, mis on iseloomulik Laguerre-Gaussi režiimile. (Märkus. Laguerre-Gaussi režiim on oluline režiim laserkiirte jaoks.)
Selle topoloogilise laengu määramisel leidsid teadlased, et LaGuerre-Gaussi režiimi difraktsioonimustri, nn hermite-Gaussi (HG, Hermite-Gaussi) režiimi difraktsioonimustri võis saada lihtsalt silindrilise läätse tutvustamisega. (Märkus. Optika korral on Hermite-Gaussi režiim oluline tala muster.)
Gouy faasi nihke mõju minimeerimiseks hermiit-gaussi režiimile keskendub 193 nm laserkiim algselt kaltsiumfluoriidi lääts, mille fookuskaugus on 200 mm. (Märkus. Gouy faasi nihe on spetsiifiline faasi nihke nähtus, mis on seotud Gaussi tala levikuga optika korral.)
Kuna silindrilisel läätsel on lühike fookuskaugus, asetatakse see kaltsiumfluoriidi läätse fookuspunkti lähedale.
Silindriline lääts muundab ümmarguse tala kaheks heledaks kohaks, mille keskel on tühimik, mis näitab keerise tala genereerimist topoloogilise laenguga 1. See tulemus on kooskõlas spiraalse faasiplaadi 2π -faasi nihkega. (Märkus: 2π -faasi nihe tähendab, et üks laine lõpetab täistsükli teise suhtes.)
Kuna keerisekiir ja Gaussi režiimi vaheline intensiivsusjaotus on oluline erinevus, tuleb võimendada 258 nm laseri tala, et katta 1553 nm laser, tagades orbitaalse nurkkiirustuse parema ülekande summa sagedusgeneraatoris 1 ja kogusageduse generaatoris 2.
Kuid 258 nm laseriga nõrgem võimsustihedus võrreldes ülaltoodud Gaussi režiimi katsetega vähendas märkimisväärselt summasageduse genereerimise muundamise efektiivsust punkti, kus teadlased said vaid 30 MW 221 nm laserina ja 3 MW 193 nm laser.
Orbitaalse nurkkiiruse säilitamise seaduse kohaselt mittelineaarsetes protsessides on summasagedusliku genereerimisega genereeritud laseri topoloogiline laeng võrdne pumba laseri topoloogiliste laengute summaga.
Seetõttu on 1553 nm laseri topoloogiline laeng 1, 258 nm laseri topoloogiline laeng on 0, kuna see on Gaussi režiimis ja 221 nm laser 221 nm topoloogiline laeng on 1.
Sel perioodil jaguneb 193 nm keerise tala difraktsioonimuster kolmeks heledaks kohaks, mille vahel on kaks tumedat lünka, samal ajal kui intensiivsuse jaotus jääb ümmarguseks.
Võrreldes põhilise keerise talaga 1553 nm juures, moonutatakse 221 nm laser ja 193 nm laseriga keeriste talaprofiilid paratamatult summade sageduse genereerimise käigus mittelineaarse kristalli faasi ebakõla ja kõndimise mõju tõttu.
Samal ajal suurendab kaskaadistruktuur orbitaalse nurkkiiruse muundamise keerukust ja võib isegi viia režiimi lagunemiseni. (Režiimi lagunemine on nähtus, milles konkreetsete režiimide omadused, mis algselt esinevad optilisel lainejuhil, halvenevad või kalduvad idealisest olekust kõrvale.)
Teadlaste arvates võib olla võimalik parandada orbitaalnurga impulsi kandvate režiimide kvaliteeti, kasutades lühemaid kristalle, või kasutades eraldi summasageduse genereerimisprotsessi.
Arvestades, et 1553 nm laserit pumbatakse ja amplifitseeritakse 1 0 30 nm laser abil, on üldine muundamise efektiivsus 1030 nm laseriga 193 nm laserini umbes 0,55%. Seetõttu, hoolimata praegusest madalast muundamise efektiivsusest, suurendades 1030 nm pumba võimsust, peaks 193 nm laseri võimsus ületama sadade MilliWatti ja võib -olla isegi vattide järjekorras.
Lisaks parandab mittelineaarsete mittelineaarsete koefitsientidega mittelineaarsete kristallide kasutamine selle eesmärgi saavutamise teostatavust märkimisväärselt.
Samal ajal saab spiraalse faasiplaadi sisestamisega Gaussi režiimi teisendada Laguerre-Gaussi režiimiks, mis võimaldab genereerida 1553 nm keerise tala, mis kannab orbitaalset nurgamomenti.
Muutes spiraalse faasiplaadi faasi nihet, saab topoloogilise laengu järjekorda hõlpsasti muuta. Varasemad uuringud on teatanud, et orbitaalse nurgamomendi kandvaid talasid saab amplifitseerida ühekristalliliste kiudude ja lämmastikuplasmade korral, mis viitab sellele, et 193 nm keerise tala saab võimendada ka eksimeeride laserites.
Selle põhjal arvavad teadlased, et 193 nm laserit saab kasutada paljudes uutes rakendustes, kasutades selle suurt väljundit ja ainulaadseid keeriste talaomadusi.
