Các nhà nghiên cứu từ Viện đổi mới thông tin không gian của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) và Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (UCAS) đã tạo ra một hệ thống laser Nanosecond trạng thái rắn nhỏ gọn nhỏ gọn tạo ra ánh sáng kết hợp 193nm ở tần số lặp lại trong tương lai.
Cụ thể, các nhà nghiên cứu đã phát triển bộ khuếch đại Crystal YB: YAG tạo ra tia laser 1030nm được chia thành hai phần: một phần tạo ra laser 258nm thông qua sóng hài thứ tư và một phần được sử dụng để bơm bộ khuếch đại tham số ánh sáng có khả năng tạo ra laser 1553nm. Trộn tần số của các dầm này trong tinh thể tầng tạo ra laser 193nm với công suất trung bình 70 MW và độ rộng đường thấp hơn 880 MHz.
Bằng cách đưa một tấm pha xoắn vào chùm tia 1553nm trước khi trộn tần số, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một chùm động lượng góc quỹ đạo.
Theo hiểu biết của các nhà nghiên cứu, đây là minh chứng đầu tiên về chùm động lượng góc quỹ đạo 193nm từ laser trạng thái rắn.
Một chùm tia như vậy có giá trị đối với laser excimer hybrid fluoride (ARF) hấp dẫn và có các ứng dụng tiềm năng trong xử lý wafer và phát hiện khiếm khuyết.
ARF là một laser excimer với bước sóng 193nm, nằm trong dải cực tím sâu. Trong sản xuất chất bán dẫn, laser ARF chủ yếu được sử dụng để in thạch bản độ phân giải cao.
Cũng cần lưu ý rằng băng thông vận hành của hệ thống dưới 880 MHz và hiệu suất độ tinh khiết quang phổ của nó tương đương với hệ thống thương mại ngày nay. Đồng thời, hệ thống chiếm một nền tảng quang học khoảng 1200mm x 1800mm và dấu chân của nó có thể được giảm thêm để đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng công nghiệp.
Quá trình chuyển đổi từ laser 1030nm sang laser 193nm được mô tả là rất giống với công việc trước đây của các nhà nghiên cứu.
Cụ thể, bộ khuếch đại laser 1030nm dựa trên 2mmx2mmx30mm yb: Crystal YAG được bơm bởi một diode laser đa phương thức 100 W (LD) ở 969nm có khả năng cung cấp hơn 14 W.
Điều quan trọng cần lưu ý là bơm - là một quá trình sử dụng ánh sáng để tăng các electron từ mức năng lượng thấp hơn đến cao hơn trong một nguyên tử hoặc phân tử.
Trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra tia laser 258nm từ laser 1030nm thông qua thế hệ hài hòa thứ hai liên tiếp và các quá trình thế hệ hài hước thứ tư trong các tinh thể lithium crocator và hexabative lithium. Laser 1030nm cũng có thể được sử dụng làm nguồn bơm cho các bộ khuếch đại tham số quang hai giai đoạn để cung cấp laser 1553nm có công suất cao.
Không giống như bộ khuếch đại sợi quang, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nguồn laser dựa trên bộ khuếch đại tham số quang học để tạo ra laser xung Subwatt 1553nm.
Kết quả của sự sửa đổi này, hệ thống trở nên nhỏ gọn hơn và các bộ điều khiển điện tử không còn cần thiết để đồng bộ hóa các chuyến tàu xung 1553nm và 258nm trong thế hệ tần số tổng hợp, có thể được thực hiện bằng cách sử dụng đường trễ quang học. (Lưu ý: Tạo hài hòa là một quá trình quang học phi tuyến.)
Quá trình tạo tần số tổng hợp hai giai đoạn, được bơm bằng laser 1553nm và 258nm, có thể tạo ra laser 221nm và laser 193nm, tương ứng, thông qua việc sử dụng một pha lê lithium cascaded.
Đối với nguồn laser xung 1553nm, nó bao gồm hai phần: một diode phản hồi phân tán một tần số liên tục (CW) hoạt động như một nguồn hạt giống và bộ khuếch đại tham số quang học hai giai đoạn dựa trên tinh thể lithium niobate phân cực định kỳ.
Diode phản hồi phân tán tần số đơn tần số hoạt động ở 1553nm và phát ra công suất trung bình 12 MW. Trong nghiên cứu, một laser bơm 1030nm đã được đưa vào một tinh thể lithium niobate 1MMX1MX40MM được phân cực định kỳ cùng với laser hạt giống để tạo thành giai đoạn đầu tiên của bộ khuếch đại tham số quang học.
Trong thời gian này, laser tín hiệu được khuếch đại được lọc ra khỏi đầu ra của giai đoạn đầu tiên của bộ khuếch đại tham số quang học và giai đoạn thứ hai của bộ khuếch đại tham số quang học thông qua một quang học đặc biệt, gương lưỡng sắc, kèm theo laser bơm dư và {{
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng đầu dò công suất laser để xác định công suất của laser tín hiệu để phân biệt thành phần tín hiệu xung với laser hạt sóng liên tục.
Do chu kỳ nhiệm vụ thấp của laser bơm và công suất yếu của laser hạt giống, ngưỡng bơm của bộ khuếch đại tham số quang học gần 600 MW. .
Với laser bơm ở công suất trung bình khoảng 700 MW, các nhà nghiên cứu thu được nhiều hơn năng lượng xung từ giai đoạn đầu tiên của bộ khuếch đại tham số quang học, tương ứng với công suất trung bình 48 MW.
Tín hiệu xung khuếch đại sau đó được khuếch đại thêm trong giai đoạn thứ hai của bộ khuếch đại tham số quang học, trong đó công suất bơm tối đa 3 W thu được bằng cách sử dụng một tinh thể lithium niobate 5mmx3mmx30mm khác.
Đồng thời, các nhà nghiên cứu đã giữ mật độ công suất laser bơm trong giai đoạn thứ hai của bộ khuếch đại tham số quang gần 30 MW/cm² để tránh thiệt hại quang hóa từ lithium niobate phân cực định kỳ. .
Hình ảnh|Công suất trung bình của laser tín hiệu trong giai đoạn thứ hai của bộ khuếch đại tham số quang học so với công suất bơm (Nguồn: Nexus quang tử tiên tiến)
Với điều này, các nhà nghiên cứu đã thu được laser tín hiệu 700 MW ở 1553nm, tương ứng với hiệu quả 23,3%.
Sự gia tăng hiệu quả này cho thấy rằng công suất đầu ra có thể được cải thiện hơn nữa khi công suất bơm tăng.
Hình ảnh|Phổ của nguồn hạt và laser tín hiệu từ giai đoạn đầu tiên của bộ khuếch đại tham số quang học và giai đoạn thứ hai của bộ khuếch đại tham số quang học (tín dụng: nexus quang tử tiên tiến)
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng bước sóng trung tâm của laser tín hiệu khuếch đại giống như của laser hạt giống, nhưng phổ mở rộng một chút.
Mặc dù nhiễu huỳnh quang tham số có thể tăng khi công suất bơm tăng, tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm vẫn gần với 50 dB.
Để đo chính xác sự tiến hóa về độ rộng của laser 1553nm trong quá trình khuếch đại tham số quang học, các nhà nghiên cứu đã sử dụng giao thoa kế quét với độ phân giải khoảng 1 MHz và phạm vi quang phổ miễn phí là 1,5 GHz.
Độ rộng dòng ban đầu của laser sóng liên tục mở rộng từ 180 MHz đến 370 MHz và 580 MHz trong giai đoạn đầu tiên của bộ khuếch đại tham số quang học và giai đoạn thứ hai của bộ khuếch đại tham số quang học, tương ứng.
Hình ảnh|Các nhà nghiên cứu đã điều tra thời gian xung của máy bơm và laser tín hiệu với bộ quang điện tử Ingaas (tín dụng: nexus quang tử tiên tiến).
Do ngưỡng chuyển tiếp tham số của quy trình khuếch đại tham số quang học, các laser tín hiệu có xung nhịp dốc hơn so với laser bơm và thời lượng giảm từ 13,1 ns xuống còn 9 ns.
Dựa trên điều này, các nhà nghiên cứu đã thu được laser xung 1553nm dựa trên bộ khuếch đại quang học với công suất trung bình 700 MW và thời gian xung là 9 ns, có thể được sử dụng làm nguồn bơm để tạo ra tia laser 193nm.
Để tiếp tục mở rộng ứng dụng của laser 193nm, các nhà nghiên cứu đã được chứng minh bằng thực nghiệm lần đầu tiên một chùm tia xoáy 1553nm, trong đó chế độ Gaussian cơ bản của laser xung 1553nm được chuyển đổi thành chế độ ra của Laguerre-Gaussian. cách thức.
Trong thời gian này, một tấm pha xoắn ốc đường kính 25 mm được gắn trong bộ chuyển đổi ống kính đường kính 25,4 mm.
Mặc dù các đầu của tấm pha xoắn ốc không được phủ bằng lớp phủ chống phản chiếu, nhưng truyền của nó lớn hơn 90%.
Động lượng góc quỹ đạo mang sau đó được chuyển sang laser 221nm và laser 193nm thông qua quy trình tạo tần số tổng hợp.
Để xác minh việc tạo ra chùm tia xoáy, các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy ảnh quang điện để ghi lại các cấu hình chùm tia của tia laser 1553nm, laser 221nm và laser 193nm ở các chế độ khác nhau.
Trước khi chèn tấm pha xoắn ốc, laser 1553nm, laser 221nm và laser 193nm đều thể hiện các cấu hình chế độ Gaussian. .
Khi chèn tấm pha xoắn ốc, chế độ laser 1553nm được chuyển đổi và thể hiện xu hướng phân phối cường độ tròn đặc trưng của chế độ laguerre-Gaussian. (Lưu ý: Chế độ Laguerre-Gaussian là một chế độ quan trọng cho các chùm tia laser.)
Khi xác định điện tích tôpô, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng mô hình nhiễu xạ của chế độ laguerre-Gaussian, cái gọi là chế độ Hermite-Gaussian (HG, Hermite-Gauss), có thể thu được bằng cách đưa ra một ống kính hình trụ. (Lưu ý: Trong quang học, chế độ Hermite-Gauss là một mẫu chùm tia quan trọng.)
Để giảm thiểu ảnh hưởng của sự thay đổi pha Gouy đối với chế độ Hermite-Gauss, chùm tia laser 193nm ban đầu được tập trung bởi một ống kính canxi fluoride với độ dài tiêu cự 200 mm. .
Vì ống kính hình trụ có tiêu cự ngắn, nó được đặt gần tiêu điểm của ống kính canxi florua.
Ống kính hình trụ chuyển đổi chùm tia hình tròn thành hai điểm sáng với một khoảng cách ở trung tâm, cho thấy việc tạo ra chùm tia xoáy với điện tích tôpô là 1. Kết quả này phù hợp với sự dịch pha 2π của tấm pha xoắn ốc. .
Do sự khác biệt đáng kể về phân bố cường độ giữa chùm tia xoáy và chế độ Gaussian, chùm tia laser 258nm phải được khuếch đại để có thể che laser laser 1553nm, đảm bảo chuyển động lượng góc quỹ đạo tốt hơn trong bộ tạo tần số tổng tần số 1 và bộ tạo tần số 2.
Tuy nhiên, mật độ công suất yếu hơn của laser laser 258nm so với các thí nghiệm chế độ Gaussian đầy đủ được mô tả ở trên đã làm giảm đáng kể hiệu quả chuyển đổi của thế hệ tần số tổng hợp đến mức các nhà nghiên cứu chỉ thu được 301 mW laser 221nm và 3 MW laser 193nm.
Theo luật bảo tồn động lượng góc quỹ đạo trong các quá trình phi tuyến, điện tích tôpô của laser được tạo ra bởi việc tạo tần số tổng hợp bằng tổng số điện tích tôpô của laser bơm.
Do đó, điện tích tôpô của laser 1553nm là 1, điện tích tôpô của laser 258nm là 0 vì nó ở chế độ Gaussian và điện tích tôpô của laser 221nm là 1.
Trong giai đoạn này, mô hình nhiễu xạ của chùm tia xoáy 193nm được chia thành ba điểm sáng với hai khoảng trống tối ở giữa, trong khi phân bố cường độ vẫn còn hình tròn.
So với chùm tia xoáy cơ bản ở 1553nm, các cấu hình chùm tia xoáy của laser 221nm và laser 193nm chắc chắn bị biến dạng trong quá trình tạo tần số tổng do các hiệu ứng không khớp pha và tắt của tinh thể phi tuyến.
Đồng thời, cấu trúc tầng làm tăng sự phức tạp của chuyển đổi động lượng góc quỹ đạo và thậm chí có thể dẫn đến sự xuống cấp của chế độ. .
Các nhà nghiên cứu tin rằng có thể cải thiện chất lượng của các chế độ mang động lượng góc quỹ đạo bằng cách sử dụng các tinh thể ngắn hơn hoặc bằng cách sử dụng quy trình tạo tần số tổng hợp riêng biệt.
Xem xét rằng laser 1553nm được bơm và khuếch đại bởi laser 1 0} 30nm, hiệu suất chuyển đổi tổng thể từ laser 1030nm sang laser 193nm là khoảng 0,55%. Do đó, mặc dù hiệu quả chuyển đổi thấp hiện tại, bằng cách tăng công suất bơm của 1030nm, sức mạnh của laser 193nm dự kiến sẽ vượt quá hàng trăm milliwatts và thậm chí có thể theo thứ tự Watts.
Ngoài ra, việc sử dụng các tinh thể phi tuyến với các hệ số phi tuyến cao hơn sẽ cải thiện đáng kể tính khả thi của việc đạt được mục tiêu này.
Đồng thời, bằng cách chèn một tấm pha xoắn ốc, chế độ Gaussian có thể được chuyển đổi thành chế độ laguerre-Gaussian, cho phép tạo ra một chùm tia xoáy 1553nm mang động lượng góc quỹ đạo.
Bằng cách thay đổi sự thay đổi pha của tấm pha xoắn ốc, thứ tự của điện tích tôpô có thể dễ dàng thay đổi. Các nghiên cứu trước đây đã báo cáo rằng các chùm mang động lượng góc quỹ đạo có thể được khuếch đại trong các sợi đơn tinh thể và plasma nitơ, cho thấy chùm tia xoáy 193nm cũng có thể được khuếch đại trong laser excimer.
Dựa trên điều này, các nhà nghiên cứu dự đoán rằng laser 193nm có thể được sử dụng trong một loạt các ứng dụng mới, sử dụng các đặc tính của tia xoáy độc đáo và năng lượng độc đáo của nó.
