Investigadors de l’Institut d’Informació de l’Espai Innovació de l’Acadèmia de Ciències Xineses (CAS) i de la Universitat de l'Acadèmia de Ciències Xineses (UCAS) han creat un sistema làser polsat de nanosegons de nanosegons sòlids que genera una llum coherent de 193 nm a una freqüència de repetició de 6 kHz, que s'espera que s'utilitzi en el camp de la litografia en el futur.
Concretament, els investigadors han desenvolupat un amplificador de cristall YB: YAG que genera un làser de 1030 nm que es divideix en dues parts: una que genera un làser de 258 nm a través del quart harmònic i un que s’utilitza per bombar un amplificador paramètric lleuger capaç de generar un làser de 1553 nm. La barreja de freqüència d’aquests feixos al cristall de la cascada produeix un làser de 193 nm amb una potència mitjana de 70 MW i una amplada de línia inferior a 880 MHz.
En introduir una placa de fase helicoïdal al feix de 1553 nm abans de la barreja de freqüència, els investigadors van generar un feix de moment angular orbital.
Segons el coneixement dels investigadors, es tracta de la primera demostració d’un feix de moment angular orbital de 193 nm d’un làser d’estat sòlid.
Aquest feix és valuós per a emocionants làsers excimers de fluorur híbrid (ARF) i té aplicacions potencials en el processament de les hòsties i la detecció de defectes.
L’ARF és un làser excimer amb una longitud d’ona de 193 nm, que es troba a la banda ultraviolada profunda. En la fabricació de semiconductors, els làsers ARF s’utilitzen principalment per a la litografia d’alta resolució.
També es nota que l'ample de banda operativa del sistema és inferior a 880 MHz i que el seu rendiment de puresa espectral és comparable al dels sistemes comercials actuals. Al mateix temps, el sistema ocupa una plataforma òptica d’aproximadament 1200mm x 1800mm i la seva petjada es pot reduir encara més per satisfer els requisits de les aplicacions industrials.
El procés de conversió d’un làser de 1030 nm a un làser de 193 nm es descriu com molt similar al treball anterior per part dels investigadors.
Concretament, un amplificador làser de 1030 nm basat en un 2mmx2mmx30mm yb: YAG Crystal bombat per un díode làser multimode de 100 W (LD) a 969 nm és capaç d’entregar més de 14 W de 1030 nm làser polsat amb una freqüència de repetició de 6 kHz i una durada de pols de 13,1 ns.
És important tenir en compte que el bombament és un procés que utilitza llum per augmentar els electrons de nivells d’energia més baixos a superiors en un àtom o molècula.
En l'estudi, els investigadors van poder generar un làser de 258 nm a partir d'un làser de 1030 nm mitjançant successius processos de segona generació harmònica i quarta generació harmònica en cristalls triborats de liti i hequesa del cesi de liti, respectivament. Els làsers de 1030 nm també es poden utilitzar com a font de bombament per a amplificadors paramètrics òptics en dues etapes per tal de lliurar un làser de 1553 nm de gran potència i pols.
A diferència de l'amplificador de fibra òptica, els investigadors van utilitzar una font làser basada en un amplificador paramètric òptic per generar el làser polsat de subwatt de 1553 nm.
Com a resultat d'aquesta modificació, el sistema es va fer més compacte i els controladors electrònics ja no eren necessaris per sincronitzar els trens de pols de 1553 nm i 258 nm en la generació de freqüència de suma, que es podrien realitzar mitjançant una línia de retard òptica. (Nota: la generació harmònica és un procés òptic no lineal.)
El procés de generació de freqüència de suma de dues etapes, bombat per làsers de 1553 nm i 258 nm, pot generar làsers de 221 nm i làsers de 193 nm, respectivament, mitjançant l’ús d’un cristall tribu de liti en cascada.
Per a la font làser polsada de 1553 nm, consisteix en dues parts: un díode de retroalimentació distribuïda per una ona contínua (CW) de freqüència de freqüència distribuïda com a font de llavors i un amplificador paramètric òptic de dues etapes basat en un cristall de niobat de liti de liti polaritzat periòdicament.
El díode làser de retroalimentació distribuïda de freqüència única funciona a 1553 nm i emet una potència mitjana de 12 MW. En l'estudi, es va introduir un làser de bomba de 1030 nm en un cristall de niobat de liti polaritzat periòdicament 1mmx1mmx40mm juntament amb el làser de llavors per formar la primera etapa de l'amplificador paramètric òptic.
Durant aquest temps, el làser de senyal amplificat es va filtrar a partir de la sortida de la primera etapa de l’amplificador paramètric òptic i la segona etapa de l’amplificador paramètric òptic mitjançant una òptica especial, un mirall dicroic, acompanyat del làser de la bomba residual i un làser 3- μm.
Posteriorment, els investigadors van utilitzar una sonda de potència làser per determinar la potència del làser del senyal per tal de distingir el component de senyal polsat del làser de llavors d'ona contínua.
A causa del baix cicle de deure del làser de la bomba i la potència feble del làser de llavors, el llindar de bombament de l'amplificador paramètric òptic era proper a 600 MW. (Nota: El cicle de treball és la relació del temps que el senyal es troba a un nivell alt durant un cicle de pols a tot el temps del cicle de pols, i se sol expressar en percentatge.)
Amb un làser de bomba a una potència mitjana d’uns 700 MW, els investigadors van obtenir més que l’energia del pols des de la primera etapa de l’amplificador paramètric òptic, corresponent a una potència mitjana de 48 MW.
El senyal de pols amplificat es va amplificar encara més a la segona etapa de l'amplificador paramètric òptic, on es va obtenir una potència màxima de bomba de 3 W mitjançant un altre cristall de niobat de liti de 5mmx3mx3mx3mx30mm.
Al mateix temps, els investigadors van mantenir la densitat de potència làser de la bomba a la segona etapa de l'amplificador paramètric òptic prop de 30 mW/cm² per evitar danys fotorrefractius del niobat de liti polaritzat periòdicament. (Nota: el dany fotorrefractiu és un efecte òptic indesitjable que es produeix quan un material fotorrefractiu està exposat a la llum brillant.)
Imatge|Potència mitjana del làser de senyal a la segona etapa de l'amplificador paramètric òptic versus la potència de la bomba (Font: avançat Photonics Nexus)
Amb això, els investigadors van obtenir un làser de senyal de 700 MW a 1553 nm, corresponent a una eficiència del 23,3%.
Aquest augment de l'eficiència suggereix que la potència de sortida es pot millorar encara més a mesura que augmenta la potència de la bomba.
Imatge|Espectres de la font de llavors i el làser de senyal des de la primera etapa de l'amplificador paramètric òptic i la segona etapa de l'amplificador paramètric òptic (crèdit: Photonics Nexus avançats)
Els investigadors van trobar que la longitud d’ona central del làser de senyal amplificat és la mateixa que la del làser de llavors, però l’espectre s’amplia lleugerament.
Tot i que el soroll de fluorescència paramètrica pot augmentar a mesura que augmenta la potència de la bomba, la relació senyal-soroll es manté a prop de 50 dB.
Per mesurar amb precisió l'evolució de l'amplada de línia del làser de 1553 nm durant el procés d'amplificació paramètrica òptica, els investigadors van utilitzar un interferòmetre d'escaneig amb una resolució d'aproximadament 1 MHz i un rang espectral lliure d'1,5 GHz.
L’amplada de línia inicial del làser d’ona contínua s’amplia de 180 MHz a 370 MHz i 580 MHz durant la primera etapa de l’amplificador paramètric òptic i la segona etapa de l’amplificador paramètric òptic, respectivament.
Imatge|Els investigadors van investigar la durada del pols dels làsers de la bomba i el senyal amb un fotodetector InGaas (crèdit: Nexus Photonics Advanced).
A causa del llindar de transició paramètrica del procés d'amplificador paramètric òptic, els làsers de senyal tenen un pols més fort que els làsers de la bomba i la durada es redueix de 13,1 ns a 9 ns.
A partir d’això, els investigadors van obtenir un làser polsat basat en amplificador paramètric òptic de 1553 nm amb una potència mitjana de 700 MW i una durada de pols de 9 ns, que es pot utilitzar com a font de bomba per generar làsers de 193 nm.
Per ampliar encara més l’aplicació del làser de 193 nm, els investigadors han demostrat experimentalment per primera vegada un feix de vòrtex de 1553 nm, en el qual el mode fonamental gaussià del làser polsat de 1553 nm es converteix en el mode Gaussiana de 1553 NM que porta el moment angular orbital, introduint una placa de fase climàtica després de l’ampli de paramètric òptic. Mode.
Durant aquest temps, es va muntar una placa de fase en espiral de 25 mm de diàmetre en un adaptador de lents de 25,4 mm de diàmetre.
Tot i que els extrems de la placa de fase en espiral no es van recobrir amb un recobriment anti-reflexiu, la seva transmissió va ser superior al 90%.
El moment angular orbital transportat es transfereix al làser de 221 nm i al làser de 193 nm mitjançant un procés de generació de freqüència de suma.
Per verificar la generació de bigues de vòrtex, els investigadors van utilitzar una càmera piroelèctrica per registrar els perfils de feix d’un làser de 1553 nm, un làser de 221 nm i un làser de 193 nm en diferents modes.
Abans de la inserció de la placa de fase helicoïdal, el làser de 1553 nm, el làser de 221 nm i el làser de 193 nm van exhibir perfils de mode gaussià. (El perfil del mode gaussià fa referència a un patró de feix comú en què la distribució d’intensitat de la llum pren la forma d’una funció gaussiana amb característiques de perfil específiques.)
A la inserció de la placa de fase helicoïdal, el mode làser de 1553 nm es converteix i presenta una tendència de distribució d’intensitat circular que és característica del mode laguerre-gaussiana. (Nota: El mode Laguerre-Gaussian és un mode important per a feixos làser.)
A l’hora de determinar la seva càrrega topològica, els investigadors van trobar que el patró de difracció del mode Laguerre-Gaussian, l’anomenat mode hermite-gaussià (HG, Hermite-Gauss), es podria obtenir simplement introduint una lent cilíndrica. (Nota: En òptica, el mode Hermite-Gauss és un patró de feix important.)
Per minimitzar l'efecte del canvi de fase gouy sobre el mode Hermite-Gauss, el feix làser de 193 nm es centra inicialment en una lent de fluor de calci amb una longitud focal de 200 mm. (Nota: el canvi de fase de gouy és un fenomen de desplaçament de fase específic associat a la propagació del feix gausès en òptica.)
Com que la lent cilíndrica té una longitud focal curta, es col·loca a prop del punt focal de la lent de fluor de calci.
La lent cilíndrica converteix el feix circular en dos punts brillants amb un buit al centre, cosa que indica la generació d’un feix de vòrtex amb una càrrega topològica de 1. Aquest resultat és coherent amb el desplaçament de fase 2π de la placa de fase helicoïdal. (Nota: el canvi de fase 2π implica que una ona completa un cicle complet respecte a l'altra.)
A causa de la diferència significativa de la distribució d’intensitat entre el feix de vòrtex i el mode gaussià, s’ha d’amplificar el feix del làser de 258 nm per poder cobrir el làser de 1553 nm, garantint una millor transferència d’impuls angular orbital en el generador de freqüència de suma 1 i el generador de freqüència de suma 2.
No obstant això, la densitat de potència més feble del làser de 258 nm en comparació amb els experiments de mode Gauss que es descriuen anteriorment va reduir significativament l'eficiència de conversió de la generació de freqüència de suma fins al punt on els investigadors només van obtenir 30 MW de làser de 221 nm i 3 mW de làser de 193 nm.
Segons la llei de conservació del moment angular orbital en processos no lineals, la càrrega topològica del làser generat per la generació de freqüència de suma és igual a la suma de les càrregues topològiques del làser de la bomba.
Per tant, la càrrega topològica del làser de 1553 nm és 1, la càrrega topològica del làser de 258 nm és 0 perquè es troba en mode gaussià i la càrrega topològica del làser de 221 nm és 1.
Durant aquest període, el patró de difracció del feix de vòrtex de 193 nm es divideix en tres punts brillants amb dues llacunes fosques entremig, mentre que la distribució d’intensitat es manté circular.
En comparació amb el feix de vòrtex bàsic a 1553 nm, els perfils de feix de vòrtex del làser de 221 nm i el làser de 193 nm es distorsionen inevitablement durant el procés de generació de freqüència de suma a causa del desajust de fase i els efectes de sortida del cristall no lineal.
Al mateix temps, l'estructura de la cascada augmenta la complexitat de la conversió orbital angular i pot fins i tot provocar una degradació del mode. (La degradació del mode és un fenomen en què les propietats dels modes específics originalment presents en una guia d'ona òptica es deterioren o es desvien de l'estat ideal.)
Els investigadors creuen que pot ser possible millorar la qualitat dels modes que transporten un moment angular orbital mitjançant cristalls més curts o mitjançant un procés de generació de freqüència de suma independent.
Tenint en compte que el làser de 1553 nm és bombat i amplificat pel làser 1 0 de 30 nm, l'eficiència de conversió global del làser de 1030 nm al làser de 193 nm és d'aproximadament 0,55%. Per tant, malgrat la baixa eficiència de conversió actual, augmentant la potència de la bomba dels 1030 nm, es preveu que la potència del làser de 193 nm sigui superior a centenars de mil·liwatts i possiblement fins i tot per ordre de Watts.
A més, l’ús de cristalls no lineals amb coeficients no lineals més elevats millorarà significativament la viabilitat d’aconseguir aquest objectiu.
Al mateix temps, mitjançant la inserció d’una placa de fase helicoïdal, el mode gaussià es pot convertir en un mode laguerre-gaussià, permetent la generació d’un feix de vòrtex de 1553 nm que transporta un impuls angular orbital.
Si canvieu el canvi de fase de la placa de fase helicoïdal, es pot canviar fàcilment l’ordre de la càrrega topològica. Estudis anteriors han informat que els feixos que porten un impuls angular orbital es poden amplificar en fibres d’un sol cristall i plasmes de nitrogen, cosa que suggereix que el feix de vòrtex de 193 nm també es pot amplificar en làsers d’excimer.
A partir d’això, els investigadors preveuen que el làser de 193 nm es pogués utilitzar en diverses aplicacions noves, utilitzant la seva producció d’alta potència i característiques úniques del feix de vòrtex.
