Penyelidik dari Institut Inovasi Maklumat Angkasa Akademi Sains Cina (CAS) dan Akademi Sains Universiti Cina (UCAs) telah mencipta sistem laser nanosekon yang padat dalam bidang cip lithan yang dijangka digunakan dalam bidang cip lithan.
Khususnya, para penyelidik telah membangunkan penguat kristal YB: YAG yang menghasilkan laser 1030 nm yang dibahagikan kepada dua bahagian: satu yang menghasilkan laser 258 nm melalui harmonik keempat, dan satu yang digunakan untuk mengepam penguat parametrik cahaya yang mampu menghasilkan laser 1553 nm. Pencampuran kekerapan rasuk ini dalam kristal lata menghasilkan laser 193 nm dengan kuasa purata 70 mW dan linewidth kurang daripada 880 MHz.
Dengan memperkenalkan plat fasa heliks ke dalam rasuk 1553 nm sebelum pencampuran kekerapan, penyelidik menghasilkan rasuk momentum sudut orbital.
Kepada pengetahuan penyelidik, ini adalah demonstrasi pertama rasuk momentum sudut orbit 193 nm dari laser keadaan pepejal.
Rasuk sedemikian sangat berharga untuk laser excimer argon fluorida hibrid (ARF) yang menarik dan mempunyai aplikasi yang berpotensi dalam pemprosesan wafer dan pengesanan kecacatan.
ARF adalah laser excimer dengan panjang gelombang 193 nm, yang terletak di band ultraviolet yang mendalam. Dalam pembuatan semikonduktor, laser ARF digunakan terutamanya untuk litografi resolusi tinggi.
Ia juga menyatakan bahawa jalur lebar sistem operasi kurang daripada 880 MHz, dan prestasi kesucian spektrumnya adalah setanding dengan sistem komersil hari ini. Pada masa yang sama, sistem menduduki platform optik kira -kira 1200mm x 1800mm, dan jejaknya dapat dikurangkan lagi untuk memenuhi keperluan aplikasi perindustrian.
Proses penukaran dari laser 1030 nm ke laser 193 nm digambarkan sebagai sangat mirip dengan kerja sebelumnya oleh penyelidik.
Khususnya, penguat laser 1030 nm berdasarkan 2mmx2mmx30mm Yb: YAG kristal yang dipam oleh diod laser multimode 100 W
Adalah penting untuk diperhatikan bahawa mengepam - adalah proses yang menggunakan cahaya untuk meningkatkan elektron dari tahap tenaga yang lebih rendah ke tahap yang lebih tinggi dalam atom atau molekul.
Dalam kajian ini, para penyelidik dapat menjana laser 258 nm dari laser 1030 nm melalui proses generasi harmonik kedua dan proses generasi keempat dalam kristal lithium triborate dan lithium cesium hexaborate, masing-masing. Laser 1030 nm juga boleh digunakan sebagai sumber pam untuk penguat parametrik optik dua peringkat untuk menyampaikan laser 1553 nm berkuasa tinggi.
Tidak seperti penguat serat optik, penyelidik menggunakan sumber laser berdasarkan penguat parametrik optik untuk menghasilkan laser berdenyut subwatt 1553 nm.
Hasil daripada pengubahsuaian ini, sistem menjadi lebih padat, dan pengawal elektronik tidak lagi diperlukan untuk menyegerakkan kereta nadi 1553 nm dan 258 nm dalam penjanaan frekuensi, yang dapat dicapai dengan menggunakan garis kelewatan optik. (Nota: Generasi harmonik adalah proses optik tak linear.)
Proses penjanaan frekuensi dua peringkat, yang dipam oleh laser 1553 nm dan 258 nm, boleh menjana 221 nm laser dan laser 193 nm, melalui penggunaan kristal triborat lithium yang dilapisi.
Untuk sumber laser pulsed 1553 nm, ia terdiri daripada dua bahagian: gelombang berterusan (CW) satu frekuensi yang diedarkan diod laser maklum balas yang bertindak sebagai sumber benih, dan penguat parametrik optik dua peringkat berdasarkan kristal niobate lithium niobate secara berkala.
Diod laser maklum balas yang diedarkan pada frekuensi tunggal beroperasi pada 1553 nm dan memancarkan kuasa purata 12 mW. Dalam kajian ini, laser pam 1030 nm diperkenalkan ke dalam kristal lithium niobate 1mmx1mx40mm secara berkala bersama -sama dengan laser benih untuk membentuk peringkat pertama penguat parametrik optik.
Pada masa ini, laser isyarat yang diperkuatkan telah ditapis daripada output peringkat pertama penguat parametrik optik dan peringkat kedua penguat parametrik optik melalui optik khas, cermin dichroic, disertai oleh laser pam sisa dan laser ol.
Seterusnya, penyelidik menggunakan probe kuasa laser untuk menentukan kuasa laser isyarat untuk membezakan komponen isyarat berdenyut dari laser benih gelombang berterusan.
Oleh kerana kitaran tugas rendah laser pam dan kuasa lemah laser benih, ambang pam penguat parametrik optik adalah hampir 600 mW. (Nota: Kitaran tugas adalah nisbah masa isyarat berada pada tahap yang tinggi semasa kitaran nadi ke keseluruhan masa kitaran nadi, dan biasanya dinyatakan sebagai peratusan.)
Dengan laser pam pada kuasa purata kira -kira 700 MW, para penyelidik memperoleh lebih banyak daripada tenaga nadi dari peringkat pertama penguat parametrik optik, sepadan dengan kuasa purata 48 MW.
Isyarat nadi yang diperkuat kemudiannya dikuatkan lagi pada peringkat kedua penguat parametrik optik, di mana kuasa pam maksimum 3 W diperolehi dengan menggunakan satu lagi kristal lithium niobate 5mmx3mx30mm secara berkala.
Pada masa yang sama, penyelidik mengekalkan ketumpatan kuasa laser pam pada peringkat kedua penguat parametrik optik hampir 30 mW/cm² untuk mengelakkan kerosakan photorefractive dari lithium niobate yang terpolarisasi secara berkala. (Nota: Kerosakan photorefractive adalah kesan optik yang tidak diingini yang berlaku apabila bahan photorefractive terdedah kepada cahaya terang.)
Imej|Kekuatan purata laser isyarat pada peringkat kedua penguat parametrik optik berbanding kuasa pam (sumber: nexus fotonik maju)
Dengan ini, para penyelidik memperoleh laser isyarat 700 MW pada 1553 nm, sepadan dengan kecekapan sebanyak 23.3%.
Peningkatan kecekapan ini menunjukkan bahawa kuasa output dapat ditingkatkan lagi apabila kuasa pam meningkat.
Imej|Spektrum sumber benih dan laser isyarat dari peringkat pertama penguat parametrik optik dan peringkat kedua penguat parametrik optik (kredit: nexus fotonik maju)
Para penyelidik mendapati bahawa panjang gelombang pusat laser isyarat yang diperkuat adalah sama dengan laser benih, tetapi spektrum meluaskan sedikit.
Walaupun bunyi pendarfluor parametrik mungkin meningkat apabila kuasa pam meningkat, nisbah isyarat-ke-bunyi kekal hampir 50 dB.
Untuk mengukur evolusi linewidth laser 1553 nm semasa proses penguatan parametrik optik, para penyelidik menggunakan interferometer pengimbasan dengan resolusi kira -kira 1 MHz dan jarak spektrum percuma 1.5 GHz.
Linewidth awal laser gelombang berterusan meluas dari 180 MHz hingga 370 MHz dan 580 MHz semasa peringkat pertama penguat parametrik optik dan peringkat kedua penguat parametrik optik.
Imej|Penyelidik menyiasat tempoh nadi pam dan laser isyarat dengan Photodetector InGAAS (Kredit: Advanced Photonics Nexus).
Oleh kerana ambang peralihan parametrik proses penguat parametrik optik, laser isyarat mempunyai depan nadi curam daripada laser pam, dan tempoh dikurangkan dari 13.1 ns hingga 9 ns.
Berdasarkan ini, para penyelidik memperoleh laser pulsed 1553 nm berasaskan parametrik optik dengan kuasa purata 700 MW dan tempoh nadi 9 ns, yang boleh digunakan sebagai sumber pam untuk menghasilkan laser 193 nm.
Untuk terus memperluaskan permohonan laser 193 nm, para penyelidik telah menunjukkan secara eksperimen untuk pertama kalinya rasuk vorteks 1553 nm, di mana mod Gaussian asas laser pukulan 1553 nm ditukar kepada fasa helik yang membawa momentum. mod.
Pada masa ini, plat fasa lingkaran diameter 25 mm dipasang dalam penyesuai kanta diameter 25.4 mm.
Walaupun hujung plat fasa lingkaran tidak disalut dengan salutan anti-reflektif, penghantarannya lebih besar daripada 90%.
Momentum sudut orbital yang dibawa kemudian dipindahkan ke laser 221 nm dan laser 193 nm melalui proses penjanaan frekuensi.
Untuk mengesahkan penjanaan balok vorteks, penyelidik menggunakan kamera pyroelektrik untuk merakam profil rasuk laser 1553 nm, laser 221 nm dan laser 193 nm dalam mod yang berbeza.
Sebelum memasukkan plat fasa heliks, laser 1553 nm, laser 221 nm, dan laser 193 nm semuanya mempamerkan profil mod Gaussian. (Profil mod Gaussian merujuk kepada corak rasuk yang sama di mana pengedaran intensiti cahaya mengambil bentuk fungsi Gaussian dengan ciri -ciri profil tertentu.)
Apabila memasukkan plat fasa heliks, mod laser 1553 nm ditukar dan mempamerkan trend pengedaran intensiti bulat yang merupakan ciri mod Laguerre-Gaussian. (Nota: Mod Laguerre-Gaussian adalah mod penting untuk rasuk laser.)
Dalam menentukan caj topologinya, para penyelidik mendapati bahawa corak difraksi mod Laguerre-Gaussian, mod Hermite-Gaussian (HG, Hermite-Gauss) yang dipanggil boleh diperolehi dengan hanya memperkenalkan lensa silinder. (Nota: Dalam optik, mod Hermite-Gauss adalah corak rasuk yang penting.)
Untuk meminimumkan kesan peralihan fasa Goouy pada mod Hermite-Gauss, rasuk laser 193 nm pada mulanya difokuskan oleh kanta fluorida kalsium dengan panjang fokus 200 mm. (Nota: Peralihan fasa gouy adalah fenomena peralihan fasa tertentu yang dikaitkan dengan penyebaran rasuk Gaussian dalam optik.)
Oleh kerana kanta silinder mempunyai panjang fokus yang pendek, ia diletakkan berhampiran titik fokus kanta fluorida kalsium.
Kanta silinder menukarkan rasuk bulat ke dalam dua bintik terang dengan jurang di tengah, yang menunjukkan penjanaan rasuk vorteks dengan caj topologi 1. Hasil ini konsisten dengan peralihan fasa 2π plat fasa heliks. (Nota: Peralihan fasa 2π menunjukkan bahawa satu gelombang melengkapkan kitaran penuh berkenaan dengan yang lain.)
Oleh kerana perbezaan yang signifikan dalam pengagihan intensiti antara rasuk vorteks dan mod Gaussian, rasuk laser 258 nm perlu dikuatkan untuk dapat menampung laser 1553 nm, memastikan pemindahan momentum sudut orbital yang lebih baik dalam penjana sum-frekuensi 1 dan penjana sum-frekuensi 2.
Walau bagaimanapun, ketumpatan kuasa yang lebih lemah daripada laser 258 nm berbanding dengan eksperimen mod Gaussian penuh yang diterangkan di atas dengan ketara mengurangkan kecekapan penukaran generasi frekuensi ke titik di mana penyelidik memperoleh hanya 30 mW 221 nm laser dan 3 mW laser 193 nm.
Menurut undang-undang pemuliharaan momentum sudut orbital dalam proses tak linear, caj topologi laser yang dihasilkan oleh penjanaan frekuensi jumlah adalah sama dengan jumlah caj topologi laser pam.
Oleh itu, caj topologi laser 1553 nm adalah 1, caj topologi laser 258 nm adalah 0 kerana ia berada dalam mod Gaussian, dan caj topologi laser 221 nm adalah 1.
Dalam tempoh ini, corak difraksi rasuk vorteks 193 nm dibahagikan kepada tiga bintik terang dengan dua jurang gelap di antara, manakala pengedaran intensiti kekal bulat.
Berbanding dengan rasuk vorteks asas pada 1553 nm, profil rasuk vorteks laser 221 nm dan laser 193 nm tidak dapat dielakkan semasa proses penjanaan frekuensi disebabkan oleh ketidakcocokan fasa dan kesan berjalan kaki dari kristal tak linear.
Pada masa yang sama, struktur cascade meningkatkan kerumitan penukaran momentum sudut orbital dan bahkan mungkin membawa kepada kemerosotan mod. (Degradasi mod adalah fenomena di mana sifat -sifat mod tertentu yang asalnya terdapat dalam gelombang optik yang merosot atau menyimpang dari keadaan yang ideal.)
Para penyelidik percaya bahawa mungkin untuk meningkatkan kualiti mod yang membawa momentum sudut orbit dengan menggunakan kristal yang lebih pendek, atau dengan menggunakan proses penjanaan frekuensi yang berasingan.
Memandangkan laser 1553 nm dipam dan dikuatkan oleh laser 1 {4}} 30 nm, kecekapan penukaran keseluruhan dari laser 1030 nm ke laser 193 nm adalah kira -kira 0.55%. Oleh itu, walaupun kecekapan penukaran rendah semasa, dengan meningkatkan kuasa pam 1030 nm, kuasa laser 193 nm dijangka melebihi beratus -ratus milliwatts dan mungkin juga pada perintah watt.
Di samping itu, penggunaan kristal tak linear dengan pekali bukan linear yang lebih tinggi akan meningkatkan kemungkinan untuk mencapai matlamat ini.
Pada masa yang sama, dengan memasukkan plat fasa heliks, mod Gaussian boleh ditukar kepada mod Laguerre-Gaussian, membolehkan penjanaan rasuk vorteks 1553 nm yang membawa momentum sudut orbital.
Dengan mengubah peralihan fasa plat fasa heliks, urutan caj topologi dapat diubah dengan mudah. Kajian terdahulu telah melaporkan bahawa rasuk yang membawa momentum sudut orbital dapat dikuatkan dalam gentian kristal tunggal dan plasmas nitrogen, menunjukkan bahawa rasuk vorteks 193 nm juga dapat dikuatkan dalam laser excimer.
Berdasarkan ini, para penyelidik menjangkakan bahawa laser 193 nm boleh digunakan dalam pelbagai aplikasi baru, menggunakan output kuasa tinggi dan ciri -ciri balok vorteks yang unik.
