Kinijos mokslų akademijos (CAS) ir Kinijos universiteto mokslų akademijos (UCA) inovacijų instituto tyrėjai sukūrė kompaktišką kietojo kūno nanosekundžių pulsuotą lazerinę sistemą, kuri ateityje sukuria 193 nm nuoseklią šviesą.
Tiksliau, tyrėjai sukūrė YB: YAG kristalų stiprintuvą, sukuriantį 1030 nm lazerį, kuris yra padalintas į dvi dalis: vieną, kuri sukuria 258 nm lazerį per ketvirtąją harmoniką, ir vieną, kuris naudojamas šviesos parametriniam stiprintuvui siurbti 1553 nm lazeriu. Šių sijų dažnio maišymas kaskados kristaluose sukuria 193 nm lazerį, kurio vidutinė galia yra 70 MW, o linijos plotis yra mažesnis nei 880 MHz.
Įvesdami spiralinės fazės plokštelę į 1553 nm pluoštą prieš maišant dažnį, tyrėjai sukūrė orbitos kampinio impulsų pluoštą.
Tyrėjų žinioms, tai yra pirmasis 193 nm orbitos kampinio impulsų spindulio iš kietojo kūno lazerio demonstravimas.
Toks pluoštas yra vertingas jaudinančiam hibridinio argono fluoro (ARF) eksimerio lazeriams ir gali būti pritaikytas vaflių apdorojimui ir defektų aptikimui.
ARF yra eksimerinis lazeris, kurio bangos ilgis yra 193 nm, kuris yra giliai ultravioletinėje juostoje. Puslaidininkių gamyboje ARF lazeriai daugiausia naudojami didelės skiriamosios gebos litografijai.
Taip pat pažymima, kad sistemos veikimo pralaidumas yra mažesnis nei 880 MHz, o jo spektrinio grynumo savybės yra panašios į šiandienos komercines sistemas. Tuo pačiu metu sistema užima maždaug 1200 mm x 1800 mm optinę platformą, o jos pėdsaką galima dar sumažinti, kad atitiktų pramoninių programų reikalavimus.
Konversijos procesas nuo 1030 nm lazerio iki 193 nm lazerio apibūdinamas kaip labai panašus į ankstesnį tyrėjų darbą.
Tiksliau, 1030 nm lazerio stiprintuvas, pagrįstas 2mmx2mmx30mm yr: YAG kristalų, pumpuojamų 100 W multimode lazerinio diodu (LD), esant 969 nm, gali pasiekti daugiau nei 14 W 1030 nm impulsų lazerio šviesą, o pakartojimo dažnis yra 6 KHz ir A pulse - 13.1 ns.
Svarbu pažymėti, kad siurbimas - tai procesas, kuris naudoja šviesą, kad būtų galima pakelti elektronus nuo mažesnio iki aukštesnio energijos lygio atomoje ar molekulėje.
Tyrimo metu tyrėjai galėjo generuoti 258 nm lazerį iš 1030 nm lazerio per eilę antrosios harmoninės kartos ir ketvirtosios harmoninių generavimo procesų atitinkamai ličio tribūnų kristaluose ir ličio cezio šešiakampėje. 1030 nm lazeriai taip pat gali būti naudojami kaip dviejų pakopų optinių parametrinių stiprintuvų siurbimo šaltinis, kad būtų užtikrintas didelis, impulsinis 1553 nm lazeris.
Skirtingai nuo pluošto optinio stiprintuvo, tyrėjai naudojo lazerio šaltinį, pagrįstą optiniu parametriniu stiprintuvu, kad sugeneruotų 1553 nm potvynio pulsuotą lazerį.
Dėl šios modifikacijos sistema tapo kompaktiškesnė, o elektroniniams valdikliams nebereikėjo sinchronizuoti 1553 nm ir 258 nm impulsų traukinių, esančių sumos dažnio generavime, kuriuos būtų galima atlikti naudojant optinio delsos liniją. (Pastaba: Harmoninė karta yra netiesinis optinis procesas.)
Dviejų pakopų sumos dažnio generavimo procesas, išpumpuotas 1553 nm ir 258 nm lazeriais, gali generuoti atitinkamai 221 nm lazerius ir 193 nm lazerius, naudodamas kaskadinį ličio tribūną.
1553 nm impulsiniam lazerio šaltiniui jį sudaro dvi dalys: nepertraukiamo bangos (CW) vieno dažnio paskirstyto grįžtamojo ryšio lazerio diodas, veikiantis kaip sėklų šaltinis, ir dviejų pakopų optinis parametrinis stiprintuvas, pagrįstas periodiškai poliarizuotu ličio niobato kristalu.
Vieno dažnio paskirstytas grįžtamojo ryšio lazerio diodas veikia esant 1553 nm ir skleidžia vidutinę 12 MW galią. Tyrimo metu 1030 nm siurblio lazeris buvo įvestas į 1mmx1mmx40mmm periodiškai poliarizuotą ličio niobato kristalą kartu su sėklų lazeriu, kad sudarytų pirmąjį optinio parametrinio stiprintuvo etapą.
Per tą laiką amplifikuotas signalo lazeris buvo išfiltruotas iš pirmojo optinio parametrinio stiprintuvo etapo išėjimo ir antrosios optinio parametrinio stiprintuvo etapo per specialų optinį, dichroinį veidrodį, lydimą likusio siurblio lazerio ir {0}} μm Idler lazerio.
Vėliau tyrėjai panaudojo lazerio galios zondą, kad nustatytų signalo lazerio galią, kad atskirtų impulsinio signalo komponentą nuo nepertraukiamo bangų sėklų lazerio.
Dėl mažo siurblio lazerio ciklo ir silpnos sėklų lazerio galios, optinio parametrinio stiprintuvo siurbimo slenkstis buvo beveik 600 MW. )
Kai siurblio lazeris, kurio vidutinė galia yra apie 700 MW, tyrėjai gavo daugiau nei impulsų energiją iš pirmojo optinio parametrinio stiprintuvo etapo, atitinkančio vidutinę 48 MW galią.
Tada amplifikuotas impulsų signalas buvo dar labiau sustiprintas antrajame optinio parametrinio stiprintuvo etape, kur didžiausia 3 W siurblio galia buvo gauta naudojant dar 5mmx3mmx30mm, periodiškai poliarizuotą ličio niobato kristalą.
Tuo pačiu metu tyrėjai laikė siurblio lazerio galios tankį antrajame optinio parametrinio stiprintuvo etape, arti 30 mW/cm², kad būtų išvengta fotorefaktyvios žalos dėl periodiškai poliarizuoto ličio niobato. )
Vaizdas|Vidutinė signalo lazerio galia antroje optinio parametrinio stiprintuvo ir siurblio galios etape (šaltinis: Išplėstinė fotonika „Nexus“)
Taikant tai, tyrėjai gavo 700 MW WW signalo lazerį, esant 1553 nm, atitinkančiam 23,3%efektyvumą.
Šis efektyvumo padidėjimas rodo, kad išėjimo galią galima dar labiau pagerinti didėjant siurblio galiai.
Vaizdas|Sėklų šaltinio ir signalo lazerio spektrai nuo pirmojo optinio parametrinio stiprintuvo etapo ir antrosios optinio parametrinio stiprintuvo etapo (kreditas: Išplėstinė fotonikos „Nexus“)
Tyrėjai nustatė, kad amplifikuoto signalo lazerio centrinis bangos ilgis yra toks pat kaip sėklų lazerio, tačiau spektras šiek tiek plečiasi.
Nors didėjant siurblio galiai, gali padidėti parametrinis fluorescencinis triukšmas, signalo ir triukšmo santykis išlieka beveik 50 dB.
Norėdami tiksliai išmatuoti 1553 nm lazerio linijos pločio raidą optinio parametrinio amplifikacijos proceso metu, tyrėjai naudojo skenavimo interferometrą, kurio skiriamoji geba yra maždaug 1 MHz, o laisvojo spektrinio diapazono - 1,5 GHz.
Pradinis nepertraukiamo bangos lazerio linijos plotis padidėja nuo 180 MHz iki 370 MHz ir 580 MHz per pirmąjį optinio parametrinio stiprintuvo etapą ir antrąjį optinio parametrinio stiprintuvo etapą.
Vaizdas|Tyrėjai ištyrė siurblio ir signalo lazerių impulsų trukmę naudodami „InGaas“ fotodetektorių (kreditas: „Advanced Photonics Nexus“).
Dėl optinio parametrinio stiprintuvo proceso parametrinio perėjimo slenksčio signalo lazeriai turi staigesnį impulsą nei siurblio lazeriai, o trukmė sumažėja nuo 13,1 ns iki 9 ns.
Remdamiesi tuo, tyrėjai gavo optinį parametrinį stiprintuvą, pagrįstą 1553 nm impulsuotu lazeriu, kurio vidutinė galia yra 700 MW, o impulsų trukmė yra 9 ns, kuris gali būti naudojamas kaip siurblio šaltinis generuoti 193 nm lazerius.
Norėdami dar labiau išplėsti 193 nm lazerio taikymą, tyrėjai pirmą kartą eksperimentiškai pademonstravo 1553 nm sūkurinį pluoštą, kuriame esminis 1553 nm impulsinio lazerio Gauso režimas yra paverčiamas į opianinį (LG) režimą. režimas.
Per tą laiką 25,4 mm skersmens objektyvo adapteris buvo sumontuotas 25 mm skersmens spiralės fazės plokštelėje.
Nors spiralinės fazės plokštės galai nebuvo padengti antiefleksine danga, jos perdavimas buvo didesnis nei 90%.
Tada nešamas orbitos kampinis impulsas perkeliamas į 221 nm lazerį ir 193 nm lazerį per sumos dažnio generavimo procesą.
Norėdami patikrinti sūkurinių sijų generavimą, tyrėjai panaudojo piroelektrinę kamerą, norėdami užfiksuoti 1553 nm lazerio, 221 nm lazerio ir 193 nm lazerio pluošto profilius skirtingais būdais.
Prieš įterpiant spiralinės fazės plokštelę, 1553 nm lazeriu, 221 nm lazeriu ir 193 nm lazeriu - visi Gauso režimo profiliai. (Gauso režimo profilis reiškia bendrą pluošto modelį, kuriame šviesos intensyvumo pasiskirstymas įgauna Gauso funkcijos formą su konkrečiomis profilio charakteristikomis.)
Įterpus spiralinės fazės plokštelę, 1553 nm lazerio režimas yra konvertuojamas ir pasižymi apskrito intensyvumo pasiskirstymo tendencija, būdinga LaGuerre-Gaussian režimui. (Pastaba: „Laguerre-Gaussian“ režimas yra svarbus lazerio spindulių režimas.)
Nustatę jo topologinį krūvį, tyrėjai nustatė, kad LaGuerre-Gaussian režimo difrakcijos modelis, vadinamąjį Hermite-Gaussian (Hg, Hermite-Gauss) režimą, buvo galima gauti tiesiog įvedus cilindrinį objektyvą. (Pastaba: optikoje „Hermite-Gauss“ režimas yra svarbus spindulio modelis.)
Siekiant sumažinti guy fazės poslinkio poveikį hermite-gauss režimui, 193 nm lazerio pluoštą iš pradžių sutelktas kalcio fluoro lęšis, kurio židinio nuotolis yra 200 mm. )
Kadangi cilindrinio objektyvo židinio nuotolis turi trumpą židinio nuotolį, jis dedamas šalia kalcio fluoro objektyvo židinio taško.
Cilindrinis lęšis paverčia apskrito pluoštą į dvi ryškias dėmeles su tarpu centre, nurodant sūkurio pluošto generavimą, kurio topologinis krūvis yra 1. Šis rezultatas atitinka spiralinės fazės plokštės 2π fazės poslinkį. (Pastaba: 2π fazės poslinkis reiškia, kad viena banga užbaigia visą ciklą kito atžvilgiu.)
Dėl reikšmingo sūkurio pluošto ir Gauso režimo intensyvumo pasiskirstymo skirtumo, 258 nm lazerio pluoštas turi būti amplifikuotas, kad būtų galima padengti 1553 nm lazerio lazerį, užtikrinant geresnį orbitalinio kampo impulso perkėlimą į 1-dažnio generatorių 1 ir sumos ir dažnio generatorių 2.
Tačiau silpnesnis 258 nm lazerio galios tankis, palyginti su visais aukščiau aprašytais Gauso režimo eksperimentais, žymiai sumažino sumos dažnio generavimo efektyvumą iki taško, kuriame tyrėjai gavo tik 30 MW iš 221 nm lazerio ir 3 MW iš 193 nm lazerio.
Remiantis orbitalinio kampinio impulso apsaugos įstatymu netiesiniuose procesuose, lazerio, sukuriamo sumos, generavimo lazeriu, topologinis krūvis yra lygus siurblio lazerio topologinių krūvių sumai.
Todėl 1553 nm lazerio topologinis krūvis yra 1, 258 nm lazerio topologinis krūvis yra 0, nes jis yra Gauso režime, o 221 nm lazerio topologinis krūvis yra 1.
Šiuo laikotarpiu 193 nm sūkurinės sijos difrakcijos modelis yra padalytas į tris ryškias dėmes su dviem tamsiais tarpais tarp jų, o intensyvumo pasiskirstymas išlieka apskritas.
Palyginti su pagrindiniu sūkuriniu pluoštu esant 1553 nm, 221 nm lazerio ir 193 nm lazerio sūkurio pluošto profiliai neišvengiamai iškreipiami per sumos dažnio generavimo procesą dėl netiesinio kristalo fazės neatitikimo ir pasivaikščiojimo poveikio.
Tuo pačiu metu kaskados struktūra padidina orbitos kampinio impulsų konversijos sudėtingumą ir netgi gali sukelti režimo skilimą. (Režimo skilimas yra reiškinys, kurio metu konkretūs režimai, iš pradžių esantys optiniame bangolaidyje, pablogėja ar nukrypsta nuo idealios būsenos.)
Tyrėjai mano, kad gali būti įmanoma pagerinti režimų, turinčių orbitos kampinį impulsą, kokybę, naudojant trumpesnius kristalus arba naudojant atskirą sumos dažnio generavimo procesą.
Atsižvelgiant į tai, kad 1553 nm lazeris yra pumpuojamas ir sustiprinamas 1 0 30 nm lazeriu, bendras konversijos efektyvumas nuo 1030 nm lazerio iki 193 nm lazerio yra apie 0,55%. Todėl, nepaisant dabartinio mažo konversijos efektyvumo, padidindamas 1030 nm siurblio galią, tikimasi, kad 193 nm lazerio galia viršys šimtus milivatų ir galbūt net vatų tvarka.
Be to, netiesinių kristalų, turinčių aukštesnius netiesinius koeficientus, naudojimas žymiai pagerins šio tikslo įgyvendinimo galimybes.
Tuo pačiu metu, įterpiant spiralinės fazės plokštelę, Gauso režimą galima paversti laguerre-Gaussian režimu, leidžiančiu susidaryti 1553 nm sūkurio pluošto, nešančio orbitos kampinį impulsą.
Pakeitus spiralinės fazės plokštės fazės poslinkį, topologinio krūvio tvarką galima lengvai pakeisti. Ankstesni tyrimai pranešė, kad pluoštai, turintys orbitos kampinį impulsą, gali būti amplifikuotas vienkartiniuose pluoštuose ir azoto plazmose, kas rodo, kad 193 nm sūkurio pluoštą taip pat galima sustiprinti eksimeriniuose lazeriuose.
Remdamiesi tuo, tyrėjai tikisi, kad 193 nm lazeris gali būti naudojamas įvairiose naujose programose, naudojant jo didelę galią ir unikalias sūkurio pluošto charakteristikas.
