Cercetătorii de la Institutul de Informații Spațiale Inovația Academiei Chineze de Științe (CAS) și a Academiei Chineze de Științe (UCAS) au creat un sistem de laser pulsat cu nanosecundă în stare solidă compactă, care generează 193 nm lumină coerentă la o frecvență de repetare de 6 kHz, care este de așteptat să fie utilizat în domeniul litografiei Chip în viitor.
Mai exact, cercetătorii au dezvoltat un amplificator YB: YAG Crystal care generează un laser de 1030 nm care este împărțit în două părți: una care generează un laser de 258 nm prin a patra armonică și una care este utilizată pentru a pompa un amplificator parametric ușor capabil să genereze un laser de 1553 NM. Amestecarea de frecvență a acestor fascicule în cristalul cascade produce un laser de 193 nm cu o putere medie de 70 MW și o lățime de linie mai mică de 880 MHz.
Prin introducerea unei plăci de fază elicoidală în fasciculul de 1553 nm înainte de amestecarea frecvenței, cercetătorii au generat un fascicul de moment unghiular orbital.
Din cunoștințele cercetătorilor, aceasta este prima demonstrație a unui fascicul de moment unghiular orbital de 193 nm de la un laser în stare solidă.
Un astfel de fascicul este valoros pentru laserele excimer de fluor de argon hibrid (ARF) interesant și are aplicații potențiale în procesarea waferului și detectarea defectelor.
ARF este un laser excimer cu o lungime de undă de 193 nm, care se află în banda ultravioletă profundă. În fabricarea semiconductorilor, laserele ARF sunt utilizate în principal pentru litografia de înaltă rezoluție.
De asemenea, se remarcă faptul că lățimea de bandă de funcționare a sistemului este mai mică de 880 MHz, iar performanța sa de puritate spectrală este comparabilă cu cea a sistemelor comerciale de astăzi. În același timp, sistemul ocupă o platformă optică de aproximativ 1200mm x 1800mm, iar amprenta sa poate fi redusă în continuare pentru a îndeplini cerințele aplicațiilor industriale.
Procesul de conversie de la un laser de 1030 nm la un laser de 193 nm este descris ca fiind foarte similar cu lucrările anterioare ale cercetătorilor.
Mai exact, un amplificator laser de 1030 nm bazat pe un 2mmx2mmx30mm YB: Cristal de yag pompat de o diodă laser multimod de 100 W (LD) la 969 nm este capabil să furnizeze mai mult de 14 W de 1030 nm laser pulsat de 1030 nm cu o frecvență de repetare de 6 kHz și o durată de puls de 13.1 NS.
Este important de menționat că pomparea - este un proces care folosește lumina pentru a crește electroni de la niveluri de energie mai mici până la mai mari într -un atom sau moleculă.
În studiu, cercetătorii au reușit să genereze un laser de 258 nm de la un laser de 1030 nm printr-o generație a doua armonică succesivă și procese de generație a patra armonică în cristale de triburi de litiu și, respectiv, hexaborate de cesiu de litiu. Laserele de 1030 nm pot fi, de asemenea, utilizate ca sursă de pompare pentru amplificatoare parametrice optice în două etape, pentru a furniza un laser de 1553 nm cu putere mare, pulsat.
Spre deosebire de amplificatorul cu fibră optică, cercetătorii au folosit o sursă laser bazată pe un amplificator parametric optic pentru a genera laserul pulsat subwatt de 1553 nm.
Ca urmare a acestei modificări, sistemul a devenit mai compact, iar controlerele electronice nu mai erau necesare pentru a sincroniza trenurile de impuls de 1553 nm și 258 nm în generarea de frecvență sumă, care ar putea fi realizată folosind o linie de întârziere optică. (Notă: Generația armonică este un proces optic neliniar.)
Procesul de generare a frecvenței sumelor în două etape, pompat cu 1553 nm și 258 nm lasere, poate genera lasere de 221 nm și, respectiv, 193 nm lasere, prin utilizarea unui cristal de triburi de litiu în cascadă.
Pentru sursa cu laser pulsată de 1553 nm, este formată din două părți: o diodă cu undă continuă (CW) cu un singur frecvență distribuită cu un singur frecvență care acționează ca sursă de semințe și un amplificator parametric optic în două etape bazat pe un cristal niobat de litiu polarizat periodic.
Dioda cu laser distribuit cu o singură frecvență distribuită funcționează la 1553 nm și emite o putere medie de 12 MW. În studiu, un laser cu pompă de 1030 nm a fost introdus într -un cristal de niobat de litiu polarizat de 1mmx1mmx40mm, împreună cu laserul de semințe pentru a forma prima etapă a amplificatorului parametric optic.
În acest timp, laserul de semnal amplificat a fost filtrat din ieșirea primei etape a amplificatorului parametric optic și a doua etapă a amplificatorului parametric optic printr -un optic special, o oglindă dicroică, însoțită de laser de idler 3- μm.
Ulterior, cercetătorii au folosit o sondă de putere laser pentru a determina puterea laserului de semnal pentru a distinge componenta semnalului pulsat de laserul de semințe de undă continuă.
Datorită ciclului de serviciu scăzut al laserului pompei și puterii slabe a laserului semințelor, pragul de pompare al amplificatorului parametric optic a fost aproape de 600 MW. (Notă: ciclul de serviciu este raportul dintre timp în care semnalul este la un nivel ridicat în timpul unui ciclu de impulsuri și întregul timp al ciclului pulsului și este de obicei exprimat ca procent.)
Cu un laser cu pompă la o putere medie de aproximativ 700 MW, cercetătorii au obținut mai mult decât energia pulsului din prima etapă a amplificatorului parametric optic, corespunzând unei puteri medii de 48 MW.
Semnalul de impuls amplificat a fost apoi amplificat în continuare în a doua etapă a amplificatorului parametric optic, unde o putere maximă a pompei de 3 W a fost obținută folosind un alt cristal de niobat de litiu 5mmx3mmx30mm polarizat periodic.
În același timp, cercetătorii au menținut densitatea puterii laserului laser în a doua etapă a amplificatorului parametric optic aproape de 30 mW/cm² pentru a evita deteriorarea fotorefractivă din niobatul litiu polarizat periodic. (Notă: Deteriorarea fotorefractivă este un efect optic nedorit care apare atunci când un material fotorefractiv este expus la lumină strălucitoare.)
Imagine|Puterea medie a laserului de semnal în a doua etapă a amplificatorului parametric optic față de puterea pompei (sursa: fotonică avansată nexus)
Prin aceasta, cercetătorii au obținut un laser de semnal de 700 MW la 1553 nm, corespunzând unei eficiențe de 23,3%.
Această creștere a eficienței sugerează că puterea de ieșire poate fi îmbunătățită în continuare pe măsură ce puterea pompei crește.
Imagine|Spectrele sursei de semințe și laser de semnal din prima etapă a amplificatorului parametric optic și a doua etapă a amplificatorului parametric optic (credit: fotonică avansată nexus)
Cercetătorii au descoperit că lungimea de undă centrală a laserului de semnal amplificat este aceeași cu cea a laserului semințelor, dar spectrul se extinde ușor.
Deși zgomotul de fluorescență parametrică poate crește pe măsură ce puterea pompei crește, raportul semnal-zgomot rămâne aproape de 50 dB.
Pentru a măsura cu exactitate evoluția lățimii de linie a laserului de 1553 nm în timpul procesului de amplificare parametrică optică, cercetătorii au folosit un interferometru de scanare cu o rezoluție de aproximativ 1 MHz și un interval spectral liber de 1,5 GHz.
Lățimea inițială a laserului cu undă continuă se extinde de la 180 MHz la 370 MHz și 580 MHz în prima etapă a amplificatorului parametric optic și, respectiv, a doua etapă a amplificatorului parametric optic.
Imagine|Cercetătorii au investigat durata pulsului laserelor de pompă și semnal cu un fotodetector Ingaas (credit: avansat fotonică nexus).
Datorită pragului de tranziție parametrică al procesului de amplificator parametric optic, laserele de semnal au o față mai abruptă decât laserele pompei, iar durata este redusă de la 13,1 ns la 9 ns.
Pe baza acestui lucru, cercetătorii au obținut un laser pulsat de 1553 nm bazat pe amplificator optic, cu o putere medie de 700 MW și o durată a pulsului de 9 ns, care poate fi utilizată ca sursă de pompă pentru generarea laserelor de 193 nm.
Pentru a extinde în continuare aplicarea laserului de 193 nm, cercetătorii au demonstrat experimental pentru prima dată un fascicul de vortex de 1553 nm, în care modul gaussian fundamental al laserului pulsat de 1553 nm este transformat în modul laguerre-gaussian (LG), care transportă momentul orbital unghiular, prin introducerea unei plăci de fază de helic după ce se află un moment oficial al unghiului unghiular. Mod.
În acest timp, o placă de fază în spirală cu diametrul de 25 mm a fost montată într -un adaptor de lentilă cu diametrul de 25,4 mm.
Deși capetele plăcii de fază spirală nu au fost acoperite cu o acoperire anti-reflectorizantă, transmisia acesteia a fost mai mare de 90%.
Momentul unghiular orbital transportat este apoi transferat la laserul de 221 nm și 193 nm laser printr-un proces de generare a frecvenței sumelor.
Pentru a verifica generarea de fascicule de vortex, cercetătorii au folosit o cameră piroelectrică pentru a înregistra profilurile fasciculului unui laser de 1553 nm, un laser de 221 nm și un laser de 193 nm în diferite moduri.
Înainte de introducerea plăcii de fază elicoidală, laserul de 1553 nm, 221 nm laser și 193 nm laser au prezentat profiluri de mod gaussian. (Profilul modului Gaussian se referă la un model comun de fascicul în care distribuția intensității luminii preia forma unei funcții gaussiene cu caracteristici specifice ale profilului.)
La introducerea plăcii de fază elicoidală, modul laser de 1553 nm este transformat și prezintă o tendință de distribuție a intensității circulare care este caracteristică modului Laguerre-Gaussian. (Notă: Modul Laguerre-Gaussian este un mod important pentru grinzile laser.)
În determinarea încărcăturii sale topologice, cercetătorii au descoperit că modelul de difracție al modului Laguerre-Gauss, așa-numitul mod Hermite-Gaussieni (HG, Hermite-Gauss), ar putea fi obținut prin simpla introducere a unei lentile cilindrice. (Notă: în optică, modul Hermite-Gauss este un model important de fascicul.)
Pentru a minimiza efectul deplasării fazei GOUY asupra modului Hermite-Gauss, fasciculul laser de 193 nm este inițial focalizat de o lentilă cu fluor de calciu cu o distanță focală de 200 mm. (Notă: Schimbarea fazelor Gouy este un fenomen specific de schimbare a fazelor asociat cu propagarea fasciculului gaussian în optică.)
Deoarece lentila cilindrică are o distanță focală scurtă, acesta este plasat aproape de punctul focal al lentilei cu fluor de calciu.
Obiectivul cilindric transformă fasciculul circular în două pete strălucitoare cu un decalaj în centru, ceea ce indică generarea unui fascicul de vortex cu o încărcare topologică de 1. Acest rezultat este în concordanță cu deplasarea în faza 2π a plăcii de fază elicoidală. (NOTĂ: Schimbarea în fază 2π implică faptul că o undă completează un ciclu complet față de celălalt.)
Datorită diferenței semnificative de distribuție a intensității între fasciculul vortex și modul Gaussian, fasciculul laserului de 258 nm trebuie să fie amplificat pentru a putea acoperi laserul de 1553 nm, asigurând un transfer mai bun al momentului unghiular orbital în generatorul de frecvență 1 și generatorul de frecvență sumă 2.
Cu toate acestea, densitatea de putere mai slabă a laserului de 258 nm în comparație cu experimentele complete ale modului gaussian descrise mai sus a redus semnificativ eficiența de conversie a generației de frecvență de sumă până la punctul în care cercetătorii au obținut doar 30 MW de 221 nm laser și 3 MW de 193 NM laser.
Conform legii conservării impulsului unghiular orbital în procesele neliniare, sarcina topologică a laserului generată de generarea de frecvență sumă este egală cu suma sarcinilor topologice ale laserului pompei.
Prin urmare, încărcarea topologică a laserului de 1553 nm este 1, sarcina topologică a laserului de 258 nm este 0, deoarece este în modul gaussian, iar încărcarea topologică a laserului de 221 nm este 1.
În această perioadă, modelul de difracție al fasciculului de vortex de 193 nm este împărțit în trei pete strălucitoare, cu două goluri întunecate între ele, în timp ce distribuția intensității rămâne circulară.
În comparație cu fasciculul de vortex de bază la 1553 nm, profilurile fasciculului vortex ale laserului de 221 nm și laserul de 193 nm sunt inevitabil distorsionate în timpul procesului de generare a frecvenței sumei datorită efectelor nepotrivite de fază și efectele de plecare ale cristalului neliniar.
În același timp, structura cascadei crește complexitatea conversiei momentului unghiular orbital și poate duce chiar la degradarea modului. (Degradarea modului este un fenomen în care proprietățile modurilor specifice sunt prezente inițial într -un ghid de undă optic se deteriorează sau se abat de la starea ideală.)
Cercetătorii consideră că poate fi posibilă îmbunătățirea calității modurilor care transportă un impuls unghiular orbital prin utilizarea cristalelor mai scurte sau prin utilizarea unui proces separat de generare a frecvenței sumelor.
Având în vedere că laserul de 1553 nm este pompat și amplificat de laserul 1 0 30 nm, eficiența generală a conversiei de la laserul de 1030 nm la laserul de 193 nm este de aproximativ 0,55%. Prin urmare, în ciuda eficienței actuale de conversie scăzută, prin creșterea puterii pompei de 1030 nm, se așteaptă ca puterea laserului de 193 nm să depășească sute de milliwati și, eventual, chiar și la ordinul Watts.
În plus, utilizarea cristalelor neliniare cu coeficienți neliniari mai mari va îmbunătăți semnificativ fezabilitatea atingerii acestui obiectiv.
În același timp, prin introducerea unei plăci de fază elicoidală, modul Gaussian poate fi transformat într-un mod laguerre-gaussian, permițând generarea unui fascicul de vortex de 1553 nm care transportă un moment unghiular orbital.
Prin schimbarea deplasării fazei a plăcii de fază elicoidală, ordinea încărcăturii topologice poate fi ușor schimbată. Studiile anterioare au raportat că grinzile care poartă un impuls unghiular orbital pot fi amplificate în fibre cu un singur cristal și plasme de azot, ceea ce sugerează că fasciculul de vortex de 193 nm poate fi, de asemenea, amplificat în laserele excimer.
Pe baza acestui lucru, cercetătorii anticipează că laserul de 193 nm ar putea fi utilizat într -o varietate de aplicații noi, folosind caracteristicile sale de mare putere și caracteristicile unice ale fasciculului vortex.
