Onderzoekers van het Institute of Space Information Innovation of the Chinese Academy of Sciences (CAS) en de University of Chinese Academy of Sciences (UCAS) hebben een compacte nanoseconde met een vaste toestand gecreëerd gepulseerd lasersysteem dat in de toekomst 193 nm coherent licht genereert bij een herhaling van 6 kHz.
In het bijzonder hebben de onderzoekers een YB ontwikkeld: YAG -kristalversterker die een laser van 1030 nm genereert die in twee delen wordt gesplitst: een die een laser van 258 nm genereert door de vierde harmonische, en een die wordt gebruikt om een lichtparametrische versterker te pompen die een 1553 nm laser kan genereren. Frequentiemenis van deze stralen in het cascade -kristal produceert een laser van 193 nm met een gemiddeld vermogen van 70 MW en een lijnbreedte van minder dan 880 MHz.
Door een spiraalvormige faseplaat in de 1553 nm -balk te introduceren voorafgaand aan frequentiemixen, genereerden de onderzoekers een orbitale hoekmomentumstraal.
Voor de kennis van de onderzoekers is dit de eerste demonstratie van een orbitale hoekmomentum van 193 nm uit een laser van vaste toestand.
Een dergelijke straal is waardevol voor opwindende hybride argonfluoride (ARF) excimeer lasers en heeft potentiële toepassingen bij het verwerking van wafers en defectdetectie.
ARF is een excimeerlaser met een golflengte van 193 nm, die zich in de diepe ultraviolette band bevindt. Bij de productie van halfgeleiders worden ARF-lasers voornamelijk gebruikt voor lithografie met hoge resolutie.
Er wordt ook opgemerkt dat de operationele bandbreedte van het systeem minder is dan 880 MHz, en de spectrale zuiverheidsprestaties zijn vergelijkbaar met die van de commerciële systemen van vandaag. Tegelijkertijd bezet het systeem een optisch platform van ongeveer 1200 mm x 1800 mm, en de voetafdruk kan verder worden verminderd om te voldoen aan de vereisten van industriële toepassingen.
Het conversieproces van een laser van 1030 nm naar een laser van 193 nm wordt beschreven als zeer vergelijkbaar met eerder werk van onderzoekers.
Specifiek is een laserversterker van 1030 nm op basis van een 2mmx2mmx30mm YB: YAG -kristal gepompt door een 100 W multimode laserdiode (LD) bij 969 nm in staat om meer dan 14 W van 1030 nm gepulseerd laserlicht te leveren met een herhalingsfrequentie van 6 kHz en een pulsduur van 13.1 ns.
Het is belangrijk op te merken dat pompen - een proces is dat licht gebruikt om elektronen te verhogen van lagere naar hogere energieniveaus in een atoom of molecuul.
In de studie konden de onderzoekers een laser van 258 nm genereren uit een laser van 1030 nm door middel van opeenvolgende tweede-harmonische generatie en vierde-harmonische generatie processen in respectievelijk lithiumtriborate kristallen en lithium cesium hexaboraat. 1030 nm lasers kunnen ook worden gebruikt als een pompbron voor tweetraps optische parametrische versterkers om een krachtige, gepulseerde 1553 nm laser te leveren.
In tegenstelling tot de vezeloptische versterker, gebruikten de onderzoekers een laserbron op basis van een optische parametrische versterker om de 1553 nm subwatt gepulseerde laser te genereren.
Als gevolg van deze aanpassing werd het systeem compacter en waren elektronische controllers niet langer nodig om de 1553 nm en 258 nm pulstreinen te synchroniseren in de sum-frequentie-generatie, die kon worden bereikt met behulp van een optische vertragingslijn. (Opmerking: harmonische generatie is een niet -lineair optisch proces.)
Het tweetraps sum-frequentie generatieproces, gepompt door 1553 nm en 258 nm lasers, kan respectievelijk 221 nm lasers en 193 nm lasers genereren door het gebruik van een cascade lithium triboraat kristal.
Voor de 1553 nm gepulseerde laserbron bestaat deze uit twee delen: een continu-golf (CW) single-frequentie gedistribueerde feedback laserdiode die werkt als een zaadbron en een tweetraps optische parametrische versterker op basis van een periodiek gepolariseerd lithiumniobaatkristal.
De gedistribueerde feedback laserdiode met één frequentie werkt bij 1553 nm en straalt een gemiddeld vermogen van 12 MW uit. In de studie werd een pomplaser van 1030 nm geïntroduceerd in een periodiek gepolariseerd lithium niobaatkristal van 1 mmx1mmx40mm samen met de zaadlaser om de eerste fase van de optische parametrische versterker te vormen.
Gedurende deze tijd werd de geamplificeerde signaallaser uit de uitgang van de eerste fase van de optische parametrische versterker en de tweede fase van de optische parametrische versterker gefiltreerd via een speciale optiek, een dichroïsche spiegel, vergezeld van de resterende pomplaser en een 3- μm Idler -laser.
Vervolgens gebruikten de onderzoekers een laservermogensonde om het vermogen van de signaallaser te bepalen om de gepulseerde signaalcomponent te onderscheiden van de laser van de continu golfzaad.
Vanwege de lage dienstcyclus van de pomplaser en het zwakke vermogen van de zaadelaser, was de pompdrempel van de optische parametrische versterker bijna 600 MW. (Opmerking: Duty Cycle is de verhouding van de tijd dat het signaal op een hoog niveau is tijdens een pulscyclus tot de gehele pulscyclustijd en wordt meestal uitgedrukt als een percentage.)
Met een pomplaser op een gemiddeld vermogen van ongeveer 700 MW, verkregen de onderzoekers meer dan de pulsenergie uit de eerste fase van de optische parametrische versterker, overeenkomend met een gemiddeld vermogen van 48 MW.
Het versterkte pulssignaal werd vervolgens verder geamplificeerd in de tweede fase van de optische parametrische versterker, waarbij een maximaal pompvermogen van 3 W werd verkregen met behulp van nog een 5mmx3mmx30mm periodiek gepolariseerd lithium niobaatkristal.
Tegelijkertijd hielden de onderzoekers de pomplaservermogendichtheid in de tweede fase van de optische parametrische versterker bijna 30 mW/cm² om fotorefractieve schade door het periodiek gepolariseerde lithiumniobaat te voorkomen. (Opmerking: fotorefractieve schade is een ongewenst optisch effect dat optreedt wanneer een fotorefractief materiaal wordt blootgesteld aan fel licht.)
Afbeelding|Gemiddeld vermogen van de signaallaser in de tweede fase van de optische parametrische versterker versus pompvermogen (Bron: Advanced Photonics Nexus)
Hiermee verkregen de onderzoekers een signaallaser van 700 MW bij 1553 nm, overeenkomend met een efficiëntie van 23,3%.
Deze toename van de efficiëntie suggereert dat het uitgangsvermogen verder kan worden verbeterd naarmate het pompvermogen toeneemt.
Afbeelding|Spectra van de zaadbron en signaallaser uit de eerste fase van de optische parametrische versterker en de tweede fase van de optische parametrische versterker (Credit: Advanced Photonics Nexus)
De onderzoekers ontdekten dat de middengolflengte van de versterkte signaallaser dezelfde is als die van de zaadlaser, maar het spectrum wordt enigszins groter.
Hoewel de parametrische fluorescentieruis kan toenemen naarmate het pompvermogen toeneemt, blijft de signaal-ruisverhouding bijna 50 dB.
Om de evolutie van de lijnbreedte van de 1553 nm laser tijdens het optische parametrische versterkingsproces nauwkeurig te meten, gebruikten de onderzoekers een scanning -interferometer met een resolutie van ongeveer 1 MHz en een vrij spectraal bereik van 1,5 GHz.
De initiële lijnbreedte van de continu-golflaser verbreedt van 180 MHz tot 370 MHz en 580 MHz tijdens de eerste fase van de optische parametrische versterker en de tweede fase van respectievelijk de optische parametrische versterker.
Afbeelding|Onderzoekers onderzochten de pulsduur van pomp- en signaallasers met een Ingaas Photodetector (Credit: Advanced Photonics Nexus).
Vanwege de parametrische overgangsdrempel van het optische parametrische versterkeringsproces hebben signaallasers een steilere pulsfront dan pomplasers en wordt de duur verlaagd van 13,1 ns tot 9 ns.
Op basis hiervan verkregen de onderzoekers een optische parametrische versterker-gebaseerde 1553 nm gepulseerde laser met een gemiddeld vermogen van 700 MW en een pulsduur van 9 ns, die kan worden gebruikt als een pompbron voor het genereren van 193 nm lasers.
Om de toepassing van de laser van 193 nm verder uit te breiden, hebben de onderzoekers experimenteel voor het eerst een 1553 nm Vortex Beam aangetoond, waarin de fundamentele Gaussiaanse modus van de 1553 nm gepulseerde laser wordt omgezet in de Laguerre-Gaussiaanse (LG) -modus die het orbitale momentum, door het introduceren van een helixfaseplatea na de optische parametische parametische parametische pamplifiaan. modus.
Gedurende deze tijd werd een spiraalvormige faseplaat van 25 mm diameter gemonteerd in een lensadapter met 25,4 mm diameter.
Hoewel de uiteinden van de spiraalvormige faseplaat niet werden gecoat met een anti-reflecterende coating, was de transmissie groter dan 90%.
Het vervoerde orbitale hoekmomentum wordt vervolgens overgebracht naar de 221 nm laser en 193 nm laser via een sum-frequentieverdelingsproces.
Om het genereren van vortexstralen te verifiëren, gebruikten de onderzoekers een pyro -elektrische camera om de straalprofielen van een laser van 1553 nm, een laser van 221 nm en een laser van 193 nm in verschillende modi op te nemen.
Voorafgaand aan het invoegen van de spiraalvormige faseplaat, vertoonden de 1553 nm laser, 221 nm laser en 193 nm laser allemaal Gaussiaanse modusprofielen. (Gaussiaanse modusprofiel verwijst naar een gemeenschappelijk bundelpatroon waarin de verdeling van de lichtintensiteit de vorm van een Gaussiaanse functie met specifieke profielkenmerken aanneemt.)
Bij het invoegen van de spiraalvormige faseplaat wordt de lasermodus van 1553 nm omgezet en vertoont het een trend van cirkelvormige intensiteitsverdeling die kenmerkend is voor de Laguerre-Gaussiaanse modus. (Opmerking: de Laguerre-Gaussiaanse modus is een belangrijke modus voor laserstralen.)
Bij het bepalen van de topologische lading ontdekten de onderzoekers dat het diffractiepatroon van de Laguerre-Gaussiaanse modus, de zogenaamde Hermite-Gaussiaanse (HG, Hermite-Gauss) -modus, kon worden verkregen door eenvoudig een cilindrische lens te introduceren. (Opmerking: in optica is de Hermite-Gauss-modus een belangrijk balkpatroon.)
Om het effect van de Gouy-faseverschuiving op de Hermite-Gauss-modus te minimaliseren, is de laserstraal van 193 nm aanvankelijk gefocust door een calciumfluoridelens met een brandpuntsafstand van 200 mm. (Opmerking: Gouy -faseverschuiving is een specifiek faseverschuivingsfenomeen geassocieerd met Gaussiaanse straalvoortplanting bij optica.)
Omdat de cilindrische lens een korte brandpuntsafstand heeft, wordt deze in de buurt van het brandpunt van de calciumfluoride -lens geplaatst.
De cilindrische lens zet de cirkelvormige balk om in twee heldere plekken met een opening in het midden, hetgeen de generatie van een draaikolk met een topologische lading van 1 aangeeft. Dit resultaat is consistent met de 2π -faseverschuiving van de spiraalvormige faseplaat. (Opmerking: de 2π -faseverschuiving houdt in dat de ene golf een volledige cyclus ten opzichte van de andere voltooit.)
Vanwege het significante verschil in intensiteitsverdeling tussen de vortexstraal en de Gaussiaanse modus, moet de bundel van de 258 nm laser worden versterkt om de laser van 1553 nm te kunnen dekken, waardoor een betere overdracht van orbitaal hoekmomentum in de sum-frequentie generator 1 en sum-frequentie generator 2 kan worden gewaarborgd.
De zwakkere vermogensdichtheid van de 258 nm laser in vergelijking met de volledige Gaussiaanse modus-experimenten die hierboven zijn beschreven, verminderde echter de conversie-efficiëntie van de som-frequentieverkeuring aanzienlijk tot het punt waarop de onderzoekers slechts 30 MW van 221 nm laser en 3 MW van 193 nm laser verkregen.
Volgens de wet van behoud van orbitaal hoekmomentum in niet-lineaire processen is de topologische lading van de laser gegenereerd door het genereren van som-frequentie gelijk aan de som van de topologische ladingen van de pomplaser.
Daarom is de topologische lading van de laser van 1553 nm 1, de topologische lading van de 258 nm laser is 0 omdat deze zich in de Gaussiaanse modus bevindt en de topologische lading van de 221 nm laser is 1.
Tijdens deze periode wordt het diffractiepatroon van de vortexstraal van 193 nm opgesplitst in drie heldere plekken met twee donkere gaten ertussen, terwijl de intensiteitsverdeling circulair blijft.
Vergeleken met de basiswervingstraal bij 1553 nm, worden de vortexbundelprofielen van de 221 nm laser en de laser van 193 nm onvermijdelijk vervormd tijdens het sum-frequentie-generatieproces vanwege de fase-mismatch en afloopeffecten van het niet-lineaire kristal.
Tegelijkertijd verhoogt de cascadestructuur de complexiteit van orbitale hoekmomentumconversie en kan zelfs leiden tot afbraak van modus. (Modusdegradatie is een fenomeen waarin de eigenschappen van specifieke modi oorspronkelijk aanwezig zijn in een optische golfgeleider die verslechtert of afwijkt van de ideale toestand.)
De onderzoekers zijn van mening dat het mogelijk is om de kwaliteit van de modi te verbeteren die een orbitaal hoekmomentum dragen door kortere kristallen te gebruiken, of door een afzonderlijk sum-frequentie generatieproces te gebruiken.
Gezien het feit dat de laser van 1553 nm wordt gepompt en versterkt door de 1 0 30 nm laser, is de totale conversie -efficiëntie van de 1030 nm laser tot de laser van 193 nm ongeveer 0,55%. Daarom, ondanks de huidige lage conversie -efficiëntie, door het vergroten van het pompvermogen van de 1030 nm, wordt het vermogen van de 193 nm laser naar verwachting meer dan honderden Milliwatt en mogelijk zelfs in de orde van Watts.
Bovendien zal het gebruik van niet -lineaire kristallen met hogere niet -lineaire coëfficiënten de haalbaarheid van het bereiken van dit doel aanzienlijk verbeteren.
Tegelijkertijd kan de Gaussiaanse modus door een spiraalvormige faseplaat worden geplaatst, worden omgezet in een Laguerre-Gaussiaanse modus, waardoor het genereren van een 1553 nm vortexstraal met orbitale hoekmomentum mogelijk wordt.
Door de faseverschuiving van de spiraalvormige faseplaat te wijzigen, kan de volgorde van de topologische lading eenvoudig worden gewijzigd. Eerdere studies hebben gemeld dat balken die orbitaal hoekmomentum dragen, kunnen worden versterkt in single-kristalvezels en stikstofplasma's, wat suggereert dat de vortexstraal van 193 nm ook kan worden versterkt in excimeer lasers.
Op basis hiervan verwachten onderzoekers dat de laser van 193 nm kan worden gebruikt in verschillende nieuwe toepassingen, met behulp van het hoge vermogen en unieke vortexstraalkenmerken.
