Istraživači s Instituta za svemirske informacijske inovacije Kineske akademije znanosti (CAS) i Sveučilišta Kineske akademije znanosti (UCAS) stvorili su kompaktni nanosekundni laserski sustav nanosekund koji je generirao 193 nm koherentne svjetlosti u učestalosti ponavljanja od 6 kHz, što se očekuje u polje u polja u polja.
Konkretno, istraživači su razvili YB: YAG kristalno pojačalo koje generira laser od 1030 nm koji je podijeljen na dva dijela: onaj koji generira 258 nm laser kroz četvrti harmonik, i onaj koji se koristi za pumpanje svjetla parametrijskog pojačala koji može stvoriti laser od 1553 nm. Frekvencijsko miješanje ovih greda u kaskadnom kristalu proizvodi laser od 193 nm s prosječnom snagom od 70 MW i širinom linije manje od 880 MHz.
Uvođenjem spiralne fazne ploče u snopu od 1553 nm prije miješanja frekvencije, istraživači su stvorili orbitalni zamah zamaha.
Prema saznanjima istraživača, ovo je prva demonstracija orbitalnog zamaha u kutu od 193 nm iz lasera čvrstog stanja.
Takav snop je vrijedan za uzbudljivi hibridni argonski fluorid (ARF) ekscimer lasere i ima potencijalne primjene u obradi vafelja i otkrivanju oštećenja.
ARF je ekscimer laser s valnom duljinom od 193 nm, koji se nalazi u dubokom ultraljubičastom pojasu. U proizvodnji poluvodiča, laseri ARF-a uglavnom se koriste za litografiju visoke rezolucije.
Također se primjećuje da je operativna propusnost sustava manja od 880 MHz, a njegova spektralna performanse čistoće usporediva je s onom današnjih komercijalnih sustava. Istodobno, sustav zauzima optičku platformu od približno 1200 mm x 1800 mm, a njegov otisak može se dodatno smanjiti kako bi se ispunili zahtjevi industrijskih primjena.
Proces pretvorbe iz lasera od 1030 nm u laser od 193 nm opisan je kao vrlo sličan prethodnom radu od strane istraživača.
Konkretno, laserski pojačalo od 1030 nm zasnovano na 2mmx2mx30mm Yb: YAG kristal pumpao 100 W multimode laserom diodom (LD) na 969 nm može isporučiti više od 14 W od 1030 nm puls -laserskih lasera s frekvencijom 6 KHZ.
Važno je napomenuti da je pumpanje - postupak koji koristi svjetlost za podizanje elektrona s niže na višu razinu energije u atomu ili molekuli.
U studiji, istraživači su uspjeli stvoriti 258 nm lasera iz lasera od 1030 nm kroz uzastopne procese druge harmonske generacije i procese četvrte harmonije u kristalima litij otroda i litij cezijevog heksaborata. 1030 nm laseri se također mogu koristiti kao izvor crpljenja za dvostupanjski optički parametrijski pojačala kako bi se isporučio laser s velikim moćnim, pulsiranim 1553 nm.
Za razliku od optičkog pojačala vlakana, istraživači su koristili laserski izvor temeljen na optičkom parametrijskom pojačalu za generiranje propulsiranog lasera od 1553 nm.
Kao rezultat ove modifikacije, sustav je postao kompaktniji, a elektronički kontroleri više nisu bili potrebni za sinkronizaciju pulsnih vlakova od 1553 nm i 258 nm u stvaranju zbroja frekvencije, što bi se moglo postići pomoću optičke linije kašnjenja. (Napomena: Harmonična generacija je nelinearni optički postupak.)
Dvostupanjski postupak stvaranja frekvencije, napumpan 1553 nm i 258 nm lasera, može generirati 221 nm lasere i 193 nm lasera, korištenjem kaskadiranog kristala litij-tarorata.
Za 1553 nm pulsirani laserski izvor, sastoji se od dva dijela: jednofrekventna distribuirana povratna dioda koja djeluje kao izvor sjemenki, a dvostupanjski optički parametrijski pojačalo na temelju povremeno polariziranog kristala litij niobata u dvostupanjskom optičkom parametrijskom pojačalu.
Jednofrekventna distribuirana povratna letjelica laserska dioda djeluje na 1553 nm i emitira prosječnu snagu od 12 MW. U studiji je uvedeni laser od 1030 nm pumpe u periodično polarizirani kristal litij niobata od 1 mmx1mx1mx40 mm zajedno sa sjemenskim laserom kako bi se stvorio prvi stupanj optičkog parametrijskog pojačala.
Za to vrijeme, pojačani signalni laser filtriran je iz izlaza prvog faze optičkog parametrijskog pojačala i drugog faze optičkog parametrijskog pojačala kroz posebnu optiku, dihroično ogledalo, praćeno preostalom laserom pumpe i 3- µm µm.
Nakon toga, istraživači su koristili sondu za lasersku snagu kako bi odredili snagu signalnog lasera kako bi razlikovali komponentu pulsnog signala od lasera sjemena kontinuiranog vala.
Zbog slabog ciklusa lasera pumpe i slabe snage sjemenskog lasera, prag crpljenja optičkog parametrijskog pojačala bio je blizu 600 MW. (Napomena: Radni ciklus je omjer vremena kada je signal na visokoj razini tijekom ciklusa impulsa u cijelom vremenu pulsnog ciklusa, a obično se izražava kao postotak.)
S laserom pumpe u prosječnoj snazi od oko 700 MW, istraživači su dobili više od energije impulsa iz prve faze optičkog parametrijskog pojačala, što odgovara prosječnoj snazi od 48 MW.
Pojačani impulsni signal je zatim dodatno pojačan u drugoj fazi optičkog parametrijskog pojačala, gdje je dobivena maksimalna snaga pumpe od 3 W korištenjem još jednog 5 mmx3mx30 mm periodično polariziranog kristala litij niobata.
Istodobno, istraživači su držali gustoću snage pumpe u drugoj fazi optičkog parametrijskog pojačala blizu 30 MW/cm² kako bi se izbjeglo fotorefraktivno oštećenje od periodično polariziranog litij -niobata. (Napomena: Photorefraktivno oštećenje je nepoželjni optički učinak koji nastaje kada je fotorefraktivni materijal izložen jarkoj svjetlosti.)
Slika|Prosječna snaga lasera signala u drugoj fazi optičkog parametrijskog pojačala nasuprot snazi pumpe (izvor: Advanced Photonics Nexus)
Ovim su istraživači dobili signalni laser od 700 MW na 1553 nm, što odgovara učinkovitosti od 23,3%.
Ovo povećanje učinkovitosti sugerira da se izlazna snaga može dodatno poboljšati s povećanjem snage crpke.
Slika|Spektri izvora sjemena i signal laser iz prve faze optičkog parametrijskog pojačala i drugog stupnja optičkog parametrijskog pojačala (kredit: Advanced Photonics Nexus)
Istraživači su otkrili da je središnja valna duljina pojačanog signalnog lasera ista kao i u laseru sjemena, ali se spektar malo proširuje.
Iako se parametrijski fluorescentni šum može povećati kako se snaga crpke povećava, omjer signal-šum ostaje blizu 50 dB.
Da bi precizno izmjerili evoluciju širine linije lasera od 1553 nm tijekom procesa optičkog parametrijskog pojačanja, istraživači su koristili interferometar skeniranja s rezolucijom od oko 1 MHz i slobodnim spektralnim rasponom od 1,5 GHz.
Početna linija lasera kontinuiranog vala proširuje se od 180 MHz na 370 MHz i 580 MHz tijekom prve faze optičkog parametrijskog pojačala i drugog faze optičkog parametrijskog pojačala.
Slika|Istraživači su istraživali trajanje impulsa pumpe i signalnih lasera s Ingaas fotodetektorom (Credit: Advanced Photonics Nexus).
Zbog parametrijskog prijelaznog praga procesa optičkog parametrijskog pojačala, signalni laseri imaju strmiji pulsni prednji dio od lasera pumpe, a trajanje se smanjuje sa 13,1 ns na 9 ns.
Na temelju toga, istraživači su dobili optički parametrijski pulsni laser koji se temelji na 1553 nm s prosječnom snagom od 700 MW i trajanjem impulsa od 9 ns, što se može koristiti kao izvor pumpe za generiranje lasera od 193 nm.
To further extend the application of the 193 nm laser, the researchers have experimentally demonstrated for the first time a 1553 nm vortex beam, in which the fundamental Gaussian mode of the 1553 nm pulsed laser is converted into the Laguerre-Gaussian (LG) mode carrying the orbital angular momentum, by introducing a helical phase plate after the optical parametric amplifier. Način.
Za to vrijeme, spiralna fazna ploča promjera 25 mm montirana je u adapter leće promjera 25,4 mm.
Iako krajevi spiralne fazne ploče nisu obloženi anti-reflektivnim premazom, njegov prijenos bio je veći od 90%.
Prenošeni orbitalni zamah u kutu se zatim prenosi u laser od 221 nm i laser od 193 nm kroz proces stvaranja zbroja frekvencije.
Kako bi provjerili stvaranje vrtložnih greda, istraživači su koristili piroelektričnu kameru za snimanje profila snopa lasera od 1553 nm, lasera od 221 nm i lasera od 193 nm u različitim načinima.
Prije umetanja spiralne fazne ploče, laser od 1553 nm, 221 nm laser i laser od 193 nm, svi su pokazali Gaussove profile načina rada. (Profil Gaussovog načina odnosi se na uobičajeni uzorak snopa u kojem raspodjela intenziteta svjetlosti poprima oblik Gaussove funkcije sa specifičnim karakteristikama profila.)
Nakon umetanja spiralne fazne ploče, laserski način 1553 nm pretvara se i pokazuje trend raspodjele kružnog intenziteta koji je karakterističan za laguerre-gaussov način rada. (Napomena: Lageerre-Gaussov način važan je način laserske grede.)
U određivanju svog topološkog naboja, istraživači su otkrili da se difrakcijski obrazac laguerre-gaussovog načina, takozvanog Hermit-Gaussovog (HG, Hermite-Gauss) načina, može dobiti jednostavnim uvođenjem cilindrične leće. (NAPOMENA: U optiku je Hermite-Gauss način važan uzorak snopa.)
Kako bi se smanjio učinak pomaka gouy faze na način hermit-gauss, laserski snop od 193 nm u početku je fokusiran kalcijevim fluoridnim lećama s žarišnom duljinom od 200 mm. (Napomena: Gouy fazni pomak je specifičan fenomen pomaka faze povezan s Gaussovim širenjem snopa u optici.)
Budući da cilindrična leća ima kratku žarišnu duljinu, postavlja se u blizini žarišne točke leće kalcijevog fluorida.
Cilindrična leća pretvara kružnu gredu u dvije svijetle točke s razmakom u sredini, što ukazuje na stvaranje vrtložnog snopa s topološkim nabojem od 1. Ovaj je rezultat u skladu s pomakom 2π faznog pomaka letične ploče spiralne faze. (Napomena: Pomak 2π faze podrazumijeva da jedan val dovršava cijeli ciklus u odnosu na drugi.)
Zbog značajne razlike u raspodjeli intenziteta između vrtložnog snopa i Gaussovog načina rada, snop lasera od 258 nm mora se pojačati kako bi se mogao pokriti laser od 1553 nm, osiguravajući bolji prijenos orbitalnog zamaha u generiraču 2 i Sum-Frequency Generator 2.
Međutim, slabija gustoća snage lasera od 258 nm u usporedbi s gore opisanim eksperimentima s punim Gaussovim načinom značajno je smanjila učinkovitost konverzije stvaranja zbroja frekvencije u točku gdje su istraživači dobili samo 30 MW 221 nM lasera i 3 MW od 193 nm lasera.
Prema zakonu očuvanja orbitalnog momenta kutnog u nelinearnim procesima, topološki naboj lasera generiran stvaranjem zbroja frekvencija jednak je zbroju topoloških naboja lasera pumpe.
Stoga je topološki naboj lasera od 1553 nm 1, topološki naboj lasera od 258 nm je 0 jer je u Gaussovom načinu rada, a topološki naboj 221 nm lasera je 1.
Tijekom tog razdoblja, difrakcijski uzorak vrtložnog snopa 193 nm podijeljen je na tri svijetle mrlje s dvije tamne praznine između, dok raspodjela intenziteta ostaje kružna.
U usporedbi s osnovnim vrtložnim snopom na 1553 nm, profili vrtložnih snopa lasera od 221 nm i lasera od 193 nm neizbježno su iskrivljeni tijekom procesa stvaranja zbroja frekvencije zbog neusklađenosti faze i efekata nelinearnog kristala.
Istodobno, kaskadna struktura povećava složenost pretvorbe orbitalnog kutnog zamaha i može čak dovesti do degradacije načina rada. (Degradacija načina rada je fenomen u kojem se svojstva specifičnih načina koji su izvorno prisutni u optičkom valovodu pogoršavaju ili odstupaju od idealnog stanja.)
Istraživači vjeruju da je moguće poboljšati kvalitetu modusa koji nose orbitalni momentni zamah pomoću kraćih kristala ili korištenjem zasebnog procesa stvaranja sama frekvencije.
S obzirom na to da se laser od 1553 nm pumpa i pojačava 1 0 30 nm laserom, ukupna učinkovitost pretvorbe od 1030 nm lasera u 193 nm laser je oko 0,55%. Stoga, unatoč trenutnoj niskoj učinkovitosti pretvorbe, povećavajući snagu pumpe od 1030 nm, očekuje se da će snaga lasera od 193 nm biti veća od stotina milivata, a možda čak i po redoslijedu vata.
Pored toga, upotreba nelinearnih kristala s višim nelinearnim koeficijentima značajno će poboljšati izvedivost postizanja ovog cilja.
Istodobno, umetanjem spiralne fazne ploče, Gaussov način rada može se pretvoriti u laguerre-gaussov način rada, omogućujući stvaranje vrtložnog snopa od 1553 nm koji nosi momentu o orbitalnom kutu.
Promjenom faznog pomaka spiralne fazne ploče, redoslijed topološkog naboja može se lako promijeniti. Prethodne studije izvijestile su da se grede koje nose orbitalni kutni zamah mogu pojačati u jednokristalnim vlaknima i dušičnim plazmama, što sugerira da se vrtložni snop od 193 nm može pojačati i u ekscimer laserima.
Na temelju toga, istraživači predviđaju da bi se laser od 193 nm mogao koristiti u raznim novim aplikacijama, koristeći svoju izlaznu snagu i jedinstvene karakteristike vrtložnog snopa.
