Дослідники Інституту космічної інформації інновації китайської академії наук (CAS) та Університету Китайської академії наук (UCAS) створили компактну твердотільну наносекундну лазерну систему, яка генерує 193 нм, когерентне світла при частоті повторення 6 кГц, яка, як очікується, буде використана в галузі лайтографії мікросхем у майбутньому.
Зокрема, дослідники розробили кристалічний підсилювач YB: YAG, який генерує лазер 1030 нм, який розділений на дві частини: той, який генерує 258 нм лазер через четверту гармоніку, і той, який використовується для накачування світлого параметричного підсилювача, здатного генерувати лазер 1553 нм. Змішування частоти цих променів у кристалі каскаду виробляє лазер 193 нм із середньою потужністю 70 МВт і шириною лінії менше 880 МГц.
Вводячи спіральну фазову пластину в промінь 1553 нм до перемішування частоти, дослідники генерували орбітальний кутовий пучок імпульсу.
Наскільки відомо дослідників, це перша демонстрація орбітального кутового імпульсу з орбітального кутового імпульсу 193 нм від твердотільного лазера.
Такий промінь є цінним для захоплюючих ексимерних лазерів гібридного аргону (ARF) і має потенційні застосування в обробці вафель та виявлення дефектів.
ARF - ексимер -лазер з довжиною хвилі 193 нм, що знаходиться в глибокій ультрафіолетовій смузі. У напівпровідниковому виробництві лазери ARF в основному використовуються для літографії з високою роздільною здатністю.
Також зазначається, що діюча пропускна здатність системи становить менше 880 МГц, а її спектральна чистота ефективність порівнянна з сучасними комерційними системами. У той же час система займає оптичну платформу приблизно 1200 мм х 1800 мм, і її слід може бути додатково зменшений для задоволення вимог промислових застосувань.
Процес перетворення від лазера 1030 нм до лазера 193 нм описується як дуже схожий на попередню роботу дослідників.
Зокрема, 1030 нм лазерного підсилювача на основі 2 ммкхммммкммммммм -мм: кристал YAG, накачаний на 100 Вт лазерним діодом (LD) при 969 нм, здатний доставляти більше 14 Вт 1030 нм імпульсного лазерного світла з частотою повторення 6 кГц та пульсою тривалості 13,1 NS.
Важливо зазначити, що накачування - це процес, який використовує світло для підвищення електронів від нижчих до більш високих рівнів енергії в атомі або молекулі.
У дослідженні дослідники змогли генерувати лазер 258 нм з лазера 1030 нм за допомогою послідовного покоління другої гармонії та процесів генерації четвертої гармонії в кристалах літію та літію цезіуму відповідно. Лазери 1030 нм також можуть використовуватися як насосне джерело для двоступеневих оптичних параметричних підсилювачів з метою доставки потужного, імпульсного 1553 нм лазера.
На відміну від волоконно-оптичного підсилювача, дослідники використовували лазерне джерело на основі оптичного параметричного підсилювача для генерації імпульсного лазера 1553 нм.
В результаті цієї модифікації система стала більш компактною, а електронні контролери більше не потрібні для синхронізації імпульсних поїздів 1553 нм та 258 нм у генерації частоти, що може бути здійснено за допомогою оптичної лінії затримки. (Примітка: Гармонічне покоління - це нелінійний оптичний процес.)
Двоступеневий процес генерації частоти, накачаний на 1553 нм та 258 нм лазерів, може генерувати 221 нм лазери та 193 нм лазери відповідно за допомогою каскадного кристала літію.
Для імпульсного лазерного джерела 1553 нм він складається з двох частин: одночастотного розподіленого лазерного діода (CW), що діє як джерело насіння, та двоступеневий оптичний параметричний підсилювач на основі періодично поляризованого літієвого кристала ніобату.
Лазерний діод, що розподіляється, що розподілений зворотній зв'язок працює в 1553 нм і випромінює середню потужність 12 МВт. У дослідженні лазер насоса 1030 нм був введений у 1 ммкмммммк 40 мм періодично поляризований кристал ніобату літію разом з насінним лазером для формування першого етапу оптичного параметричного підсилювача.
За цей час посилений сигнал лазер фільтрували з виходу першого етапу оптичного параметричного підсилювача та другого етапу оптичного параметричного підсилювача за допомогою спеціального оптичного, дихроїчного дзеркала, що супроводжується лазером залишкового насоса та 3- μM -бездивора.
Згодом дослідники використовували лазерний зонд потужності для визначення потужності лазера сигналу, щоб відрізнити імпульсний компонент сигналу від насіннєвого лазера безперервної хвилі.
Завдяки низькому робочому циклу лазера насоса та слабкої потужності насіннєвого лазера, поріг насосів оптичного параметричного підсилювача був близьким до 600 МВт. (Примітка: робочий цикл - це відношення часу, коли сигнал знаходиться на високому рівні під час циклу імпульсу до всього часу імпульсного циклу і зазвичай виражається у відсотках.)
З насосним лазером із середньою потужністю близько 700 МВт, дослідники отримали більше, ніж енергія імпульсу з першого етапу оптичного параметричного підсилювача, що відповідає середній потужності 48 МВт.
Потім ампліфікований імпульсний сигнал був додатково ампліфікований на другому етапі оптичного підсилювача параметричного параметри, де максимальна потужність насоса 3 Вт отримала за допомогою ще одного 5 ммммммкш3 -мм, періодично поляризованого кристала літію ніобату.
У той же час дослідники зберігали щільність потужності насосів на другому етапі оптичного параметричного підсилювача близько 30 мВт/см², щоб уникнути пошкодження фоторефракційного від періодично поляризованого літієвого ніобату. (ПРИМІТКА: Пошкодження фоторефракції - це небажаний оптичний ефект, який виникає, коли фоторефракійний матеріал піддається яскравому світлу.)
Зображення|Середня потужність лазера сигналу на другому етапі оптичного параметричного підсилювача проти потужності насоса (джерело: вдосконалена фотоніка Nexus)
З цим дослідники отримали сигнал 700 МВт при 1553 нм, що відповідає ефективності 23,3%.
Це підвищення ефективності говорить про те, що вихідна потужність може бути додатково вдосконалена у міру збільшення потужності насоса.
Зображення|Спектри джерела насіння та лазера сигналу з першого етапу оптичного підсилювача параметрики та другого етапу оптичного параметричного підсилювача (Credit: Advanced Photonics Nexus)
Дослідники встановили, що центральна довжина хвилі ампліфікованого сигнального лазера така ж, як і у насіннєвого лазера, але спектр незначно розширюється.
Незважаючи на те, що параметричний шум флуоресценції може збільшуватися зі збільшенням потужності насоса, співвідношення сигнал-шум залишається близьким до 50 дБ.
Для точного вимірювання еволюції лінії лінії 1553 нм лазера під час процесу ампліфікації оптичних параметричних параметри, дослідники використовували інтерферометр сканування з роздільною здатністю близько 1 МГц та вільного спектрального діапазону 1,5 ГГц.
Початкова ширина лінії лазера безперервної хвилі розширюється з 180 МГц до 370 МГц і 580 МГц під час першого етапу оптичного підсилювача параметрики та другого етапу оптичного підсилювача параметрики відповідно.
Зображення|Дослідники досліджували тривалість імпульсу насосних та сигнальних лазерів за допомогою фотодетектора IngaAs (кредит: вдосконалена фотоніка Nexus).
Завдяки параметричний поріг переходу процесу оптичного параметричного підсилювача, сигнальні лазери мають більш крутий імпульсний фронт, ніж лазери насосів, а тривалість зменшується з 13,1 нс до 9 нс.
Виходячи з цього, дослідники отримали оптичний параметричний підсилювач 1553 нм імпульсного лазера із середньою потужністю 700 МВт та тривалістю імпульсу 9 нс, який може бути використаний як джерело насоса для генерування лазерів 193 нм.
Для подальшого розширення застосування лазера 193 нм дослідники експериментально продемонстрували вихровий промінь 1553 нм, в якому фундаментальний гауссовий режим 1553 нм імпульсного лазера перетворюється в проміжку гаусійського (LG), що перевозив орієнтацію орбіту, вводячи апетитне пластину. режим.
За цей час спіральна фазова пластина діаметром 25 мм була встановлена в адаптері об'єктива діаметром діаметром діаметром діаметром діаметром 25,4 мм.
Незважаючи на те, що кінці спіральної фазової пластини не були покриті противідправленням покриття, його передача перевищувала 90%.
Потім перенесений орбітальний кутовий імпульс переноситься на лазер 221 нм та лазер 193 нм за допомогою процесу генерації частоти.
Для перевірки генерації вихрових променів дослідники використовували піроелектричну камеру для запису профілів променів 1553 нм лазера, лазера 221 нм та лазера 193 нм у різних режимах.
До введення гвинтової фазової пластини, 1553 нм лазер, 221 нм лазерного та 193 нм лазер, всі демонстрували профілі режиму Гаусса. (Профіль гауссового режиму відноситься до загальної схеми променя, в якій розподіл інтенсивності світла набуває форми гауссової функції з певними характеристиками профілю.)
Після введення гвинтової фазової пластини перетворюється лазерний режим 1553 нм і проявляє кругову тенденцію розподілу інтенсивності, яка характерна для режиму Лагуерре-Гаусс. (ПРИМІТКА: Лагерре-гауссовий режим є важливим режимом для лазерних променів.)
Визначаючи його топологічний заряд, дослідники виявили, що дифракційна схема режиму Лагерре-Гаусс, так званий режим герміта-гаусса (HG, Hermite-Gauss) може бути отримана, просто вводячи циліндричний об'єктив. (Примітка: в оптиці режим Герміта-Гаусса є важливим малюнком променя.)
Для мінімізації впливу зсуву фази на герміти-гаусі, лазерний промінь 193 нм спочатку орієнтований на об'єктив фтору кальцію з фокусною відстань 200 мм. (Зсув фази Gouy - це специфічне явище зсуву фаз, пов'язане з розповсюдженням променя Гаусса в оптиці.)
Оскільки циліндричний об'єктив має коротку фокусну відстань, він розміщується біля фокусної точки об'єктива фтору кальцію.
Циліндричний об'єктив перетворює круговий промінь на дві яскраві плями з зазором у центрі, що вказує на генерацію вихрового променя з топологічним зарядом 1. Цей результат відповідає 22 -фазовому зсуву пластини спіральної фази. (Примітка: зсув фази 2π означає, що одна хвиля завершує повний цикл відносно іншого.)
Через значну різницю в розподілі інтенсивності між вихровим променем та гауссовим режимом, промінь лазера 258 нм повинен бути посилений, щоб мати можливість покрити 1553 нм, забезпечуючи кращу передачу орбітального кутового моменту в генераторі 1 та генератора 2.
Однак слабша щільність потужності лазера 258 нм порівняно з експериментами з повним гауссовим режимом, описаними вище, значно знизила ефективність перетворення генерації частоти до того моменту, коли дослідники отримали лише 30 мВт лазера 221 нм та 3 мВт лазера 193 нм.
Відповідно до закону збереження орбітального кутового імпульсу в нелінійних процесах, топологічний заряд лазера, що утворюється за допомогою генерації частоти суми, дорівнює сумі топологічних зарядів лазера насоса.
Тому топологічний заряд лазера 1553 нм становить 1, топологічний заряд лазера 258 нм - 0, оскільки він знаходиться в гауссовому режимі, а топологічний заряд лазера 221 нм - 1.
У цей період дифракційна схема вихрового променя 193 нм розділена на три яскраві плями з двома темними прогалинами між ними, тоді як розподіл інтенсивності залишається круговим.
Порівняно з базовим вихровим променем при 1553 нм, профілі вихрових променів 221 нм лазера та лазера 193 нм неминуче спотворюються під час процесу генерації частоти через невідповідність фази та ефекти нелінійного кристала.
У той же час, структура каскаду збільшує складність перетворення орбітального кутового імпульсу і може навіть призвести до деградації режиму. (Деградація режиму - це явище, в якому властивості конкретних режимів, спочатку присутніх в оптичному хвилевості, погіршуються або відхиляються від ідеального стану.)
Дослідники вважають, що може бути можливо покращити якість режимів, що переносять орбітальний кутовий імпульс за допомогою коротших кристалів або за допомогою окремого процесу генерації частоти.
Враховуючи, що лазер 1553 нм перекачується та посилюється лазером 1 0 30 нм, загальна ефективність перетворення з лазера 1030 нм до лазера 193 нм становить приблизно 0,55%. Тому, незважаючи на низьку ефективність перетворення, збільшуючи потужність насоса 1030 нм, потужність лазера 193 нм, як очікується, перевищує сотні міліват і, можливо, навіть на порядку Ватт.
Крім того, використання нелінійних кристалів з більш високими нелінійними коефіцієнтами значно покращить доцільність досягнення цієї мети.
У той же час, вставляючи спіральну фазову пластину, гауссовий режим може бути перетворений у режим Лагерре-Гаусс, що дозволяє генерувати імпульс кутового імпульсу Orbital Orbital Orbital Bear 1553 нм.
Змінюючи фазовий зсув гвинтової фазової пластини, порядок топологічного заряду можна легко змінити. Попередні дослідження повідомляли, що промені, що переносять орбітальний кутовий імпульс, можна посилити в монокристалічних волокон та азотних плазм, що дозволяє припустити, що вихровий промінь 193 нм може бути посилений в ексимерних лазерах.
Виходячи з цього, дослідники передбачають, що лазер 193 нм може бути використаний у різних нових програмах, використовуючи його високу потужність та унікальні характеристики променя вихору.
