Para peneliti dari Institute of Space Information Innovation of the Chinese Academy of Sciences (CAS) dan University of Chinese Academy of Sciences (UCAS) telah menciptakan sistem laser nanosecond solid-state yang kompak yang menghasilkan lampu koheren 193 nm pada frekuensi pengulangan 6 kHz, yang diharapkan digunakan dalam bidang ini. Pencerahan LEPITE LE DOGORY.
Secara khusus, para peneliti telah mengembangkan penguat kristal YB: YAG yang menghasilkan laser 1030 nm yang dibagi menjadi dua bagian: satu yang menghasilkan laser 258 nm melalui harmonik keempat, dan yang digunakan untuk memompa amplifier parametrik cahaya yang mampu menghasilkan laser 1553 nm. Pencampuran frekuensi balok -balok ini dalam kristal kaskade menghasilkan laser 193 nm dengan kekuatan rata -rata 70 mW dan linewidth kurang dari 880 MHz.
Dengan memperkenalkan pelat fase heliks ke dalam balok 1553 nm sebelum pencampuran frekuensi, para peneliti menghasilkan balok momentum sudut orbital.
Sepengetahuan para peneliti, ini adalah demonstrasi pertama dari balok momentum sudut orbital 193 nm dari laser solid-state.
Balok seperti itu berharga untuk laser excimer argon fluoride (ARF) yang menarik dan memiliki aplikasi potensial dalam pemrosesan wafer dan deteksi cacat.
ARF adalah laser excimer dengan panjang gelombang 193 nm, yang berada di pita ultraviolet yang dalam. Dalam manufaktur semikonduktor, laser ARF terutama digunakan untuk litografi resolusi tinggi.
Juga dicatat bahwa bandwidth operasi sistem kurang dari 880 MHz, dan kinerja kemurnian spektralnya sebanding dengan sistem komersial saat ini. Pada saat yang sama, sistem menempati platform optik sekitar 1200mm x 1800mm, dan jejaknya dapat dikurangi lebih lanjut untuk memenuhi persyaratan aplikasi industri.
Proses konversi dari laser 1030 nm ke laser 193 nm digambarkan sangat mirip dengan pekerjaan sebelumnya oleh para peneliti.
Secara khusus, amplifier laser 1030 nm berdasarkan pada 2mmx2mmx30mm yb: kristal yag dipompa oleh dioda laser multimode 100 W (LD) pada 969 nm mampu menghasilkan lebih dari 14 W dari 1030 nm cahaya laser berdenyut dengan frekuensi repetisi 6 kHz dan A pulsa nm. Laser pulsa non.
Penting untuk dicatat bahwa memompa - adalah proses yang menggunakan cahaya untuk menaikkan elektron dari tingkat energi yang lebih rendah ke lebih tinggi dalam atom atau molekul.
Dalam penelitian ini, para peneliti dapat menghasilkan laser 258 nm dari laser 1030 nm melalui generasi harmonik kedua berturut-turut dan proses generasi harmonik keempat dalam kristal triborat lithium dan heksaborat lithium cesium. Laser 1030 nm juga dapat digunakan sebagai sumber pemompaan untuk amplifier parametrik optik dua tahap untuk memberikan laser 1553 nm bertenaga tinggi dan berdenyut.
Berbeda dengan penguat serat optik, para peneliti menggunakan sumber laser berdasarkan penguat parametrik optik untuk menghasilkan laser berdenyut subwatt 1553 nm.
Sebagai hasil dari modifikasi ini, sistem menjadi lebih kompak, dan pengontrol elektronik tidak lagi diperlukan untuk menyinkronkan kereta pulsa 1553 nm dan 258 nm dalam generasi frekuensi jumlah, yang dapat dicapai dengan menggunakan garis penundaan optik. (Catatan: Generasi harmonik adalah proses optik nonlinier.)
Proses pembangkitan frekuensi dua tahap, dipompa dengan laser 1553 nm dan 258 nm, dapat menghasilkan laser 221 nm dan laser 193 nm, masing-masing, melalui penggunaan kristal triborat lithium yang bertingkat.
Untuk sumber laser berdenyut 1553 nm, terdiri dari dua bagian: gelombang kontinu (CW) frekuensi tunggal dioda laser umpan balik yang bertindak sebagai sumber benih, dan penguat parametrik optik dua tahap berdasarkan pada kristal lithium niobate yang terpolarisasi secara berkala.
Dioda laser umpan balik terdistribusi frekuensi tunggal beroperasi pada 1553 nm dan memancarkan daya rata-rata 12 mW. Dalam penelitian ini, laser pompa 1030 nm diperkenalkan ke dalam kristal lithium niobate yang terpolarisasi secara berkala bersama dengan laser biji untuk membentuk tahap pertama dari penguat parametrik optik.
Selama waktu ini, laser sinyal yang diamplifikasi disaring dari output dari tahap pertama penguat parametrik optik dan tahap kedua dari penguat parametrik optik melalui optik khusus, cermin dichroic, disertai dengan laser pompa residu dan laser {3- μm.
Selanjutnya, para peneliti menggunakan probe daya laser untuk menentukan kekuatan laser sinyal untuk membedakan komponen sinyal berdenyut dari laser biji gelombang kontinu.
Karena siklus tugas rendah dari laser pompa dan daya lemah laser benih, ambang pompa penguat parametrik optik mendekati 600 mW. (Catatan: siklus tugas adalah rasio waktu sinyal berada pada level tinggi selama siklus pulsa ke seluruh waktu siklus pulsa, dan biasanya dinyatakan sebagai persentase.)
Dengan laser pompa pada daya rata -rata sekitar 700 MW, para peneliti memperoleh lebih dari energi pulsa dari tahap pertama penguat parametrik optik, sesuai dengan daya rata -rata 48 mW.
Sinyal pulsa yang diamplifikasi kemudian diamplifikasi lebih lanjut pada tahap kedua dari penguat parametrik optik, di mana daya pompa maksimum 3 W diperoleh dengan menggunakan kristal lithium niobate yang terpolarisasi secara berkala secara berkala.
Pada saat yang sama, para peneliti menjaga kepadatan daya laser pompa pada tahap kedua dari penguat parametrik optik mendekati 30 mW/cm² untuk menghindari kerusakan fotorefraktif dari lithium niobate yang terpolarisasi secara berkala. (Catatan: Kerusakan fotorefraktif adalah efek optik yang tidak diinginkan yang terjadi ketika bahan photorefractive terpapar cahaya terang.)
Gambar|Daya rata -rata laser sinyal pada tahap kedua penguat parametrik optik versus daya pompa (Sumber: Nexus Fotonik Lanjutan)
Dengan ini, para peneliti memperoleh laser sinyal 700 MW pada 1553 nm, sesuai dengan efisiensi 23,3%.
Peningkatan efisiensi ini menunjukkan bahwa daya output dapat ditingkatkan lebih lanjut seiring dengan meningkatnya daya pompa.
Gambar|Spektrum sumber benih dan laser sinyal dari tahap pertama amplifier parametrik optik dan tahap kedua dari penguat parametrik optik (kredit: nexus fotonik tingkat lanjut)
Para peneliti menemukan bahwa panjang gelombang tengah dari laser sinyal yang diperkuat adalah sama dengan laser benih, tetapi spektrum sedikit melebar.
Meskipun noise fluoresensi parametrik dapat meningkat seiring dengan meningkatnya daya pompa, rasio sinyal-ke-noise tetap mendekati 50 dB.
Untuk mengukur evolusi linewidth secara akurat dari laser 1553 nm selama proses amplifikasi parametrik optik, para peneliti menggunakan interferometer pemindaian dengan resolusi sekitar 1 MHz dan kisaran spektral bebas 1,5 GHz.
Linewidth awal laser gelombang kontinu meluas dari 180 MHz menjadi 370 MHz dan 580 MHz selama tahap pertama penguat parametrik optik dan tahap kedua dari penguat parametrik optik, masing-masing.
Gambar|Para peneliti menyelidiki durasi pulsa pompa dan laser sinyal dengan fotodetektor INGAAS (kredit: nexus fotonik tingkat lanjut).
Karena ambang transisi parametrik dari proses penguat parametrik optik, laser sinyal memiliki bagian depan pulsa yang lebih curam daripada laser pompa, dan durasi berkurang dari 13,1 ns menjadi 9 ns.
Berdasarkan hal ini, para peneliti memperoleh laser berdenyut 1553 nm berbasis parametrik optik dengan daya rata-rata 700 mW dan durasi pulsa 9 ns, yang dapat digunakan sebagai sumber pompa untuk menghasilkan laser 193 nm.
Untuk lebih memperluas penerapan laser 193 nm, para peneliti telah secara eksperimental menunjukkan untuk pertama kalinya balok vortex 1553 nm, di mana mode fundamental Gaussian dari laser berdenyut yang dikonversi ke dalam mode laguerric afluc yang membawa plepercy. mode.
Selama waktu ini, pelat fase spiral berdiameter 25 mm dipasang pada adaptor lensa berdiameter 25,4 mm.
Meskipun ujung pelat fase spiral tidak dilapisi dengan lapisan anti-reflektif, transmisinya lebih besar dari 90%.
Momentum sudut orbital yang dibawa kemudian dipindahkan ke laser 221 nm dan laser 193 nm melalui proses pembuatan frekuensi jumlah.
Untuk memverifikasi generasi balok vortex, para peneliti menggunakan kamera piroelektrik untuk merekam profil balok laser 1553 nm, laser 221 nm dan laser 193 nm dalam mode yang berbeda.
Sebelum penyisipan pelat fase heliks, laser 1553 nm, laser 221 nm, dan laser 193 nm semuanya menunjukkan profil mode Gaussian. (Profil mode Gaussian mengacu pada pola balok umum di mana distribusi intensitas cahaya mengambil bentuk fungsi Gaussian dengan karakteristik profil spesifik.)
Setelah memasukkan pelat fase heliks, mode laser 1553 nm dikonversi dan menunjukkan tren distribusi intensitas melingkar yang merupakan karakteristik dari mode Laguerre-Gaussian. (Catatan: Mode Laguerre-Gaussian adalah mode penting untuk balok laser.)
Dalam menentukan muatan topologisnya, para peneliti menemukan bahwa pola difraksi mode Laguerre-Gaussian, yang disebut mode Hermite-Gaussian (HG, Hermite-Gauss), dapat diperoleh dengan hanya memperkenalkan lensa silinder. (Catatan: Dalam optik, mode Hermite-Gauss adalah pola balok yang penting.)
Untuk meminimalkan efek pergeseran fase gouy pada mode Hermite-Gauss, sinar laser 193 nm awalnya difokuskan oleh lensa kalsium fluorida dengan panjang fokus 200 mm. (Catatan: Pergeseran fase gouy adalah fenomena pergeseran fase spesifik yang terkait dengan perambatan balok Gaussian dalam optik.)
Karena lensa silinder memiliki panjang fokus pendek, ditempatkan di dekat titik fokus lensa kalsium fluorida.
Lensa silinder mengubah balok melingkar menjadi dua titik terang dengan celah di tengah, menunjukkan generasi balok pusaran dengan muatan topologis 1. Hasil ini konsisten dengan pergeseran fase 2π dari pelat fase heliks. (Catatan: Pergeseran fase 2π menyiratkan bahwa satu gelombang melengkapi siklus penuh sehubungan dengan yang lain.)
Karena perbedaan yang signifikan dalam distribusi intensitas antara balok vortex dan mode Gaussian, balok laser 258 nm harus diamplifikasi untuk dapat menutupi laser 1553 nm, memastikan transfer momentum sudut orbital yang lebih baik dalam generator jumlah-frekuensi 1 dan jumlah generator frequency 2.
Namun, kepadatan daya yang lebih lemah dari laser 258 nm dibandingkan dengan percobaan mode Gaussian penuh yang dijelaskan di atas secara signifikan mengurangi efisiensi konversi dari generasi frekuensi jumlah ke titik di mana para peneliti hanya memperoleh laser 221 mW dari laser 221 nm dan 3 MW dari laser 193 NM.
Menurut hukum konservasi momentum sudut orbital dalam proses nonlinier, muatan topologis laser yang dihasilkan oleh generasi frekuensi jumlah sama dengan jumlah muatan topologis laser pompa.
Oleh karena itu, muatan topologi laser 1553 nm adalah 1, muatan topologis dari laser 258 nm adalah 0 karena dalam mode Gaussian, dan muatan topologi laser 221 nm adalah 1.
Selama periode ini, pola difraksi balok vortex 193 nm dibagi menjadi tiga titik terang dengan dua celah gelap di antaranya, sedangkan distribusi intensitas tetap melingkar.
Dibandingkan dengan balok vortex dasar pada 1553 nm, profil balok vortex dari laser 221 nm dan laser 193 nm tidak dapat dihindari terdistorsi selama proses pembangkitan frekuensi jumlah karena ketidakcocokan fase dan efek walk-off dari kristal nonlinier.
Pada saat yang sama, struktur kaskade meningkatkan kompleksitas konversi momentum sudut orbital dan bahkan dapat menyebabkan degradasi mode. (Mode degradasi adalah fenomena di mana sifat -sifat mode spesifik awalnya hadir dalam pandu gelombang optik memburuk atau menyimpang dari keadaan ideal.)
Para peneliti percaya bahwa dimungkinkan untuk meningkatkan kualitas mode yang membawa momentum sudut orbital dengan menggunakan kristal yang lebih pendek, atau dengan menggunakan proses pembuatan frekuensi jumlah yang terpisah.
Mempertimbangkan bahwa laser 1553 nm dipompa dan diamplifikasi oleh laser 1 0 30 nm, efisiensi konversi keseluruhan dari laser 1030 nm ke laser 193 nm adalah sekitar 0,55%. Oleh karena itu, meskipun efisiensi konversi rendah saat ini, dengan meningkatkan daya pompa 1030 nm, kekuatan laser 193 nm diharapkan lebih dari ratusan miliwatt dan bahkan mungkin pada urutan watt.
Selain itu, penggunaan kristal nonlinier dengan koefisien nonlinier yang lebih tinggi akan secara signifikan meningkatkan kelayakan mencapai tujuan ini.
Pada saat yang sama, dengan memasukkan pelat fase heliks, mode Gaussian dapat dikonversi ke mode Laguerre-Gaussian, memungkinkan generasi balok vortex 1553 nm yang membawa momentum sudut orbital.
Dengan mengubah pergeseran fase pelat fase heliks, urutan muatan topologi dapat dengan mudah diubah. Studi sebelumnya telah melaporkan bahwa balok yang membawa momentum sudut orbital dapat diamplifikasi dalam serat kristal tunggal dan plasma nitrogen, menunjukkan bahwa balok vortex 193 nm juga dapat diamplifikasi dalam laser excimer.
Berdasarkan hal ini, para peneliti mengantisipasi bahwa laser 193 nm dapat digunakan dalam berbagai aplikasi baru, memanfaatkan output daya tinggi dan karakteristik balok pusaran yang unik.
