Forskere fra Institute of Space Information Innovation of the Chinese Academy of Sciences (CAS) og University of Chinese Academy of Sciences (UCAS) har skapt et kompakt solid-state nanosekund pulserende lasersystem som genererer 193 nm koherent lys ved en repetisjonsfrekvens av 6 kHz, som forventes å brukes i feltet av spistelk i det spikte i det spikte i the the the-chick lith i the the the the the tocklow in the the fac of the Future of 6 kHz, som genererer 193 nm, er å brukes på feltet på spikten.
Spesifikt har forskerne utviklet en YB: YAG -krystallforsterker som genererer en 1030 nm laser som er delt i to deler: en som genererer en 258 nm laser gjennom den fjerde harmonikken, og en som brukes til å pumpe en lett parametrisk forsterker som er i stand til å generere en 1553 NM -laser. Frekvensblanding av disse bjelkene i kaskadekrystallen produserer en 193 nm laser med en gjennomsnittlig effekt på 70 MW og en linjebredde på mindre enn 880 MHz.
Ved å introdusere en helisk faseplate i 1553 nm -bjelken før frekvensblanding, genererte forskerne en orbital vinkelmomentstråle.
For forskernes kunnskap er dette den første demonstrasjonen av en 193 nm orbital kantete momentumstråle fra en solid-state laser.
En slik bjelke er verdifull for spennende hybrid argonfluorid (ARF) excimer -lasere og har potensielle anvendelser i wafer -prosessering og defektdeteksjon.
ARF er en excimer -laser med en bølgelengde på 193 nm, som er i det dype ultrafiolette båndet. I halvlederproduksjon brukes ARF-lasere hovedsakelig for litografi med høy oppløsning.
Det bemerkes også at driftsbåndbredden til systemet er mindre enn 880 MHz, og dets spektrale renhetsytelse er sammenlignbar med dagens kommersielle systemer. Samtidig opptar systemet en optisk plattform på omtrent 1200 mm x 1800mm, og fotavtrykket kan reduseres ytterligere for å oppfylle kravene til industrielle applikasjoner.
Konverteringsprosessen fra en laser på 1030 nm til en laser på 193 nm beskrives som veldig lik tidligere arbeid av forskere.
Spesielt en 1030 nm laserforsterker basert på en 2mmx2mmx30mm YB: YAG -krystall pumpet av en 100 W multimode laserdiode (LD) ved 969 nm er i stand til å levere mer enn 14 W 1030 nm puls laser med en repetisjon.
Det er viktig å merke seg at pumping - er en prosess som bruker lys for å heve elektroner fra lavere til høyere energinivå i et atom eller molekyl.
I studien var forskerne i stand til å generere en 258 nm laser fra en 1030 nm laser gjennom påfølgende andre-harmonisk generasjon og fjerde-harmoniske generasjonsprosesser i litiumtriboratkrystaller og litium cesium hexaborate. 1030 nm lasere kan også brukes som pumpekilde for to-trinns optiske parametriske forsterkere for å levere en høydrevet, pulserende 1553 nm laser.
I motsetning til den fiberoptiske forsterkeren, brukte forskerne en laserkilde basert på en optisk parametrisk forsterker for å generere den 1553 nm subwatt pulserende laser.
Som et resultat av denne modifiseringen ble systemet mer kompakt, og elektroniske kontrollere var ikke lenger nødvendig for å synkronisere 1553 nm og 258 nm pulstog i sum-frekvensgenerasjonen, som kunne oppnås ved bruk av en optisk forsinkelseslinje. (Merk: Harmonisk generasjon er en ikke -lineær optisk prosess.)
Den to-trinns sum-frekvensgenereringsprosessen, pumpet av 1553 nm og 258 nm lasere, kan generere henholdsvis 221 nm lasere og 193 nm lasere gjennom bruk av en kaskadert litiumtriboratkrystall.
For 1553 nm pulserende laserkilde består den av to deler: en kontinuerlig bølge (CW) enkeltfrekvens distribuert tilbakemeldingslaserdiode som fungerer som en frøsilde, og en to-trinns optisk parametrisk forsterker basert på en periodisk polarisert litiumniobatkrystall.
En-frekvens distribuert tilbakemeldingslaserdiode opererer ved 1553 nm og avgir en gjennomsnittlig effekt på 12 MW. I studien ble en 1030 nm pumpelaser introdusert i en 1mmx1mmx40mm periodisk polarisert litiumniobatkrystall sammen med frølaseren for å danne det første trinnet i den optiske parametriske forsterkeren.
I løpet av denne tiden ble den amplifiserte signallaseren filtrert ut av utgangen fra det første trinnet av den optiske parametriske forsterkeren og det andre trinnet i den optiske parametriske forsterkeren gjennom en spesiell optikk, et dikroisk speil, ledsaget av den gjenværende pumpens laser og en {{}}} μm tomler laser.
Deretter brukte forskerne en laserkraftssonde for å bestemme kraften til signallaseren for å skille den pulserte signalkomponenten fra kontinuerlig bølgefrø-laser.
På grunn av den lave pliktsyklusen til pumpelaseren og den svake kraften til frø -laseren, var pumpesterskelen til den optiske parametriske forsterkeren nær 600 MW. (Merk: Duty Cycle er forholdet mellom signalet er på et høyt nivå under en pulssyklus til hele pulssyklustiden, og er vanligvis uttrykt i prosent.)
Med en pumpelaser med en gjennomsnittlig effekt på omtrent 700 MW, oppnådde forskerne mer enn pulsenergien fra det første trinnet i den optiske parametriske forsterkeren, tilsvarende en gjennomsnittlig effekt på 48 MW.
Det amplifiserte pulssignalet ble deretter ytterligere amplifisert i det andre trinnet av den optiske parametriske forsterkeren, hvor en maksimal pumpekraft på 3 W ble oppnådd ved å bruke ytterligere 5mmx3mmx30mm periodisk polarisert litium niobatkrystall.
Samtidig holdt forskerne pumpelaserkrafttettheten i det andre trinnet av den optiske parametriske forsterkeren nær 30 mW/cm² for å unngå fotorefraktiv skader fra det periodisk polariserte litiumniobatet. (Merk: Photorefraktiv skade er en uønsket optisk effekt som oppstår når et fotorefraktivt materiale blir utsatt for sterkt lys.)
Bilde|Gjennomsnittlig effekt av signallaseren i det andre trinnet av den optiske parametriske forsterkeren versus pumpekraft (kilde: Advanced Photonics Nexus)
Med dette oppnådde forskerne en 700 MW signallaser ved 1553 nm, tilsvarende en effektivitet på 23,3%.
Denne økningen i effektiviteten antyder at utgangseffekten kan forbedres ytterligere etter hvert som pumpekraften øker.
Bilde|Spektra for frø kilde og signallaser fra det første trinnet av den optiske parametriske forsterkeren og det andre trinnet i den optiske parametriske forsterkeren (kreditt: Advanced Photonics Nexus)
Forskerne fant at midtbølgelengden til den amplifiserte signallaseren er den samme som for frølaseren, men spekteret utvides litt.
Selv om den parametriske fluorescensstøyen kan øke når pumpekraften øker, forblir signal-til-støyforholdet nær 50 dB.
For å måle linjebreddeutviklingen nøyaktig til 1553 nm -laseren under den optiske parametriske amplifiseringsprosessen, brukte forskerne et skanningsinterferometer med en oppløsning på omtrent 1 MHz og et fritt spektralt område på 1,5 GHz.
Den innledende linjebredden til den kontinuerlige bølge-laseren utvides fra 180 MHz til 370 MHz og 580 MHz i henholdsvis det første trinnet av den optiske parametriske forsterkeren og det andre trinnet av den optiske parametriske forsterkeren.
Bilde|Forskere undersøkte pulsvarigheten av pumpe- og signallasere med en IngaAS -fotodetektor (kreditt: Advanced Photonics Nexus).
På grunn av den parametriske overgangsterskelen til den optiske parametriske forsterkerprosessen, har signallasere en brattere pulsfront enn pumpelasere, og varigheten reduseres fra 13,1 ns til 9 ns.
Basert på dette oppnådde forskerne en optisk parametrisk forsterkerbasert 1553 nm pulserende laser med en gjennomsnittlig effekt på 700 MW og en pulsvarighet på 9 ns, som kan brukes som pumpekilde for å generere 193 nm lasere.
For ytterligere å utvide anvendelsen av laseren på 193 nm, har forskerne eksperimentelt demonstrert for første gang en virvelstråle på 1553 nm, der den grunnleggende Gaussiske modusen til den 1553 nm-p-phules-modus som fører til å introdusere den paprike, ved å introdusere den paprike-modusen. modus.
I løpet av denne tiden ble en spiralfaseplate på 25 mm diameter montert i en linseadapter på 25,4 mm diameter.
Selv om endene av spiralfaseplaten ikke ble belagt med et antirefleksbelegg, var overføringen større enn 90%.
Den gjennomførte orbital-vinkelmomentet overføres deretter til laseren på 221 nm og 193 nm gjennom en sum-frekvensgenereringsprosess.
For å bekrefte generasjonen av virvelstråler, brukte forskerne et pyroelektrisk kamera for å registrere stråleprofilene til en laser på 1553 nm, en laser på 221 nm og en laser på 193 nm i forskjellige modus.
Før innsetting av den spiralformede faseplaten, viste laser 1553 nm, 221 nm laser og 193 nm laser Gaussiske modusprofiler. (Gaussisk modusprofil refererer til et felles strålemønster der lysintensitetsfordelingen tar formen som en Gauss -funksjon med spesifikke profilegenskaper.)
Ved innsetting av den spiralformede faseplaten konverteres lasermodus 1553 nm og viser en sirkulær intensitetsfordelingstrend som er karakteristisk for Laguerre-Gauss-modus. (Merk: Laguerre-Gauss-modus er en viktig modus for laserstråler.)
Ved å bestemme dens topologiske ladning, fant forskerne at diffraksjonsmønsteret til LaGuerre-Gauss-modus, den såkalte Hermite-Gaussiske (HG, Hermite-Gauss) -modusen, kunne oppnås ved ganske enkelt å innføre et sylindrisk objektiv. (Merk: I optikk er Hermite-Gauss-modus et viktig strålemønster.)
For å minimere effekten av Gouy-faseskiftet på Hermite-Gauss-modus, er 193 nm laserstrålen opprinnelig fokusert av et kalsiumfluoridlinse med en brennvidde på 200 mm. (Merk: Gouy -faseskift er et spesifikt faseforskyvningsfenomen assosiert med Gaussisk stråleutbredelse i optikk.)
Siden den sylindriske linsen har en kort brennvidde, plasseres den nær brennpunktet for kalsiumfluorlinsen.
Den sylindriske linsen omdanner sirkulærstrålen til to lyspunkter med et gap i midten, noe som indikerer generering av en virvelstråle med en topologisk ladning på 1. Dette resultatet er i samsvar med 2π -faseskiftet til den spiralformede faseplaten. (Merk: 2π -faseskiftet innebærer at den ene bølgen fullfører en full syklus med hensyn til den andre.)
På grunn av den signifikante forskjellen i intensitetsfordeling mellom virvelstrålen og den gaussiske modusen, må strålen til 258 nm laseren forsterkes for å kunne dekke 1553 nm-laseren, noe som sikrer bedre overføring av orbital vinkelmoment i sum-frekvensgeneratoren 1 og sumfrekvensgenerator 2.
Imidlertid reduserte den svakere krafttettheten til 258 nm laser sammenlignet med de fulle Gaussiske moduseksperimentene beskrevet ovenfor betydelig konverteringseffektiviteten til sum-frekvensgenerering til det punktet der forskerne bare oppnådde 30 MW på 221 nm laser og 3 MW 193 nm laser.
I henhold til loven om bevaring av orbital vinkelmomentum i ikke-lineære prosesser, er den topologiske ladningen til laseren generert av sum-frekvensgenerering lik summen av de topologiske ladningene til pumpelaseren.
Derfor er den topologiske ladningen for 1553 nm -laseren 1, den topologiske ladningen for 258 nm -laseren er 0 fordi den er i Gaussisk modus, og den topologiske ladningen til 221 nm -laseren er 1.
I løpet av denne perioden deles diffraksjonsmønsteret til virvelstrålen 193 nm i tre lyspunkter med to mørke hull i mellom, mens intensitetsfordelingen forblir sirkulær.
Sammenlignet med den grunnleggende virvelstrålen ved 1553 nm, blir virvelstråleprofilene til 221 nm-laseren og 193 nm laseren uunngåelig forvrengt under sum-frekvensgenereringsprosessen på grunn av fase mismatch og walk-off effekter av den ikke-lineære krystallen.
Samtidig øker kaskadestrukturen kompleksiteten i omdannelse i orbital vinkelmoment og kan til og med føre til modusforringelse. (Modusforringelse er et fenomen der egenskapene til spesifikke modus som opprinnelig var til stede i en optisk bølgeleder, forverres eller avviker fra den ideelle tilstanden.)
Forskerne mener at det kan være mulig å forbedre kvaliteten på modusene som bærer orbital kantete momentum ved å bruke kortere krystaller, eller ved å bruke en egen genereringsprosess for summen.
Tatt i betraktning at 1553 nm -laseren pumpes og forsterkes av 1 0 30 nm laser, er den totale konverteringseffektiviteten fra 1030 nm laser til 193 nm laser omtrent 0,55%. Til tross for den nåværende lave konverteringseffektiviteten, ved å øke pumpekraften til 1030 nm, forventes kraften til 193 nm -laseren å være i overkant av hundrevis av milliwatt og muligens til og med på rekkefølgen av watt.
I tillegg vil bruken av ikke -lineære krystaller med høyere ikke -lineære koeffisienter forbedre muligheten for å oppnå dette målet betydelig.
Samtidig, ved å sette inn en helisk faseplate, kan Gauss-modus konverteres til en Laguerre-Gauss-modus, noe som muliggjør generering av en 1553 nm virvelstråle som bærer orbital vinkelmoment.
Ved å endre faseforskyvningen av den spiralformede faseplaten, kan rekkefølgen på den topologiske ladningen enkelt endres. Tidligere studier har rapportert at bjelker som bærer orbital kantete momentum kan forsterkes i enkeltkrystallfibre og nitrogenplasma, noe som antyder at virvelstrålen på 193 nm også kan forsterkes i excimer-lasere.
Basert på dette forventer forskere at 193 NM -laseren kan brukes i en rekke nye applikasjoner, ved å bruke dens høye effektutgang og unike virvelstråleegenskaper.
