חוקרים מהמכון לחדשנות מידע על החלל של האקדמיה הסינית למדעים (CAS) והאוניברסיטה לאקדמיה הסינית למדעים (UCAS) יצרו מערכת לייזר פועמת של ננו-שנייה קומפקטית, המייצרת 193 ננומטר קוהרנטית בתדר חוזר של 6 קילו הרץ, אשר צפוי לשמש בשטח של צ'יפ ליטוגרפיה בעתיד.
באופן ספציפי, החוקרים פיתחו מגבר קריסטל YB: YAG המייצר לייזר של 1030 ננומטר המפוצל לשני חלקים: אחד המייצר לייזר של 258 ננומטר דרך ההרמוני הרביעי, ואחד המשמש לשאיבת מגבר פרמטרי קל המסוגל לייצר לייזר 1553 ננומטר. ערבוב תדרים של קורות אלה בקריסטל המפל מייצר לייזר של 193 ננומטר עם כוח ממוצע של 70 מגוואט ורוחב קו של פחות מ- 880 מגה הרץ.
על ידי הצגת צלחת שלב סלילית לקורה של 1553 ננומטר לפני ערבוב התדרים, החוקרים יצרו קרן תנופה זוויתית מסלולית.
לידיעת החוקרים, זו ההפגנה הראשונה של קרן תנופה זוויתית מסלולית של 193 ננומטר מלייזר במצב מוצק.
קרן כזו היא בעלת ערך עבור לייזרי אקסימרים היברידיים היברידיים מרגשים (ARF) ובעלי יישומים פוטנציאליים בעיבוד רקיק וגילוי פגמים.
ARF הוא לייזר אקסימאלי עם אורך גל של 193 ננומטר, שנמצא בלהקה האולטרה סגולה העמוקה. בייצור מוליכים למחצה, לייזרי ARF משמשים בעיקר לליטוגרפיה ברזולוציה גבוהה.
יצוין גם כי רוחב הפס המפעיל של המערכת הוא פחות מ- 880 מגה הרץ, וביצועי הטוהר הספקטרליים שלה דומים לזו של המערכות המסחריות של ימינו. במקביל, המערכת תופסת פלטפורמה אופטית של כ- 1200 מ"מ x 1800 מ"מ, וניתן להפחית עוד יותר את טביעת הרגל שלה כדי לעמוד בדרישות היישומים התעשייתיים.
תהליך ההמרה מלייזר של 1030 ננומטר ללייזר של 193 ננומטר מתואר כדומה מאוד לעבודה קודמת של חוקרים.
באופן ספציפי, מגבר לייזר של 1030 ננומטר המבוסס על 2MMX2MMX30 מ"מ YB: גביש YAG הנשאב על ידי דיודה לייזר מולטי -ממוד (LD) בגובה 969 ננומטר מסוגל לספק יותר מ- 14 W של אור לייזר של 1030 ננומטר עם תדר 6 קילומט.
חשוב לציין כי שאיבה - היא תהליך שמשתמש באור כדי להעלות אלקטרונים מרמות אנרגיה נמוכות עד גבוהות יותר באטום או במולקולה.
במחקר, החוקרים הצליחו לייצר לייזר של 258 ננומטר מלייזר של 1030 ננומטר דרך דור הרמוני השני ברציפות ותהליכי הדור הרביעי-הרמוני בגבישים ליתיום חבטת ליתיום ובקסיום הקסאבורט, בהתאמה. לייזרים של 1030 ננומטר יכולים לשמש גם כמקור שאיבה למגברים פרמטריים אופטיים דו-שלביים על מנת לספק לייזר פועם 1553 ננומטר בעל עוצמה גבוהה.
בניגוד למגבר הסיבים האופטי, החוקרים השתמשו במקור לייזר המבוסס על מגבר פרמטרי אופטי כדי לייצר את הלייזר הפועם של 1553 ננומטר.
כתוצאה משינוי זה, המערכת הפכה להיות קומפקטית יותר, ולא היו צורך עוד בקרי אלקטרוניקה כדי לסנכרן את הרכבות הדופק של 1553 ננומטר ו -258 ננומטר בדור תדר הסכום, שניתן היה להשיג באמצעות קו עיכוב אופטי. (הערה: דור הרמוני הוא תהליך אופטי לא לינארי.)
תהליך ייצור תדירות הסכום הדו-שלבי, שנשאב על ידי לייזרים של 1553 ננומטר ו -258 ננומטר, יכול לייצר לייזרים של 221 ננומטר ולייזרים של 193 ננומטר, בהתאמה, באמצעות גביש חבטת ליתיום מפלס.
עבור מקור הלייזר הפועם של 1553 ננומטר, הוא מורכב משני חלקים: גל-גל רציף (CW) בתדר חד-פעמי דיודה משוב לייזר משוב משוב כמקור זרעים, ומגבר פרמטרי אופטי דו-שלבי המבוסס על גביש ליתיום ניובאט מקוטב מעת לעת.
דיודת לייזר המשוב המופצת בתדר יחיד פועלת במהירות 1553 ננומטר ופולטת כוח ממוצע של 12 מגוואט. במחקר, לייזר משאבה של 1030 ננומטר הוכנס לתוך גביש 1MMX1MMX40 מ"מ מקוטב מעת לעת גביש ליתיום ניובאט יחד עם לייזר הזרעים ליצירת השלב הראשון של המגבר הפרמטרי האופטי.
במהלך תקופה זו, לייזר האות המוגבר סונן מתוך הפלט של השלב הראשון של המגבר הפרמטרי האופטי והשלב השני של המגבר הפרמטרי האופטי באמצעות אופטיקה מיוחדת, מראה דיכארית, מלווה בלייזר המשאבה הנותר ולייזר אידיר {}}}.
בהמשך, החוקרים השתמשו בבדיקת כוח לייזר כדי לקבוע את כוחו של לייזר האות על מנת להבדיל בין רכיב האות הפועם מלייזר הזרעים של הגל הרציף.
בשל מחזור החובה הנמוך של לייזר המשאבה והעוצמה החלשה של לייזר הזרעים, סף השאיבה של המגבר הפרמטרי האופטי היה קרוב ל 600 מגוואט. (הערה: מחזור החובה הוא היחס בין הזמן שהאות הוא ברמה גבוהה במהלך מחזור הדופק לכל זמן מחזור הדופק, ובדרך כלל מתבטא כאחוז.)
עם לייזר משאבה בכוח ממוצע של כ 700 מגוואט, החוקרים השיגו יותר מאנרגיית הדופק מהשלב הראשון של המגבר הפרמטרי האופטי, המתאים לעוצמה ממוצעת של 48 מגוואט.
לאחר מכן הוגבר עוד יותר אות הדופק המוגבר בשלב השני של המגבר הפרמטרי האופטי, שם הושג כוח משאבה מרבי של 3 W באמצעות גביש נוסף של ליתיום ניובאט מקוטב 5MX3MMX30 מ"מ.
במקביל, החוקרים שמרו על צפיפות כוח הלייזר של המשאבה בשלב השני של המגבר הפרמטרי האופטי קרוב ל 30 מגה -וואט/ס"מ² כדי להימנע מפגיעה פוטו -פרקטיבית מהליטיום ניובאט מקוטב מדי פעם. (הערה: נזק פוטו -פרקטיבי הוא השפעה אופטית לא רצויה המתרחשת כאשר חומר פוטו -פרקטיבי נחשף לאור בהיר.)
תמונה|הכוח הממוצע של לייזר האות בשלב השני של המגבר הפרמטרי האופטי לעומת כוח משאבה (מקור: Nexus פוטוניקה מתקדם)
בכך השיגו החוקרים לייזר אות 700 מגה -וואט במהירות של 1553 ננומטר, המתאים ליעילות של 23.3%.
עלייה זו ביעילות מצביעה על כך שניתן לשפר עוד יותר את כוח הפלט ככל שעוצמת המשאבה גדלה.
תמונה|ספקטרום של מקור הזרעים ולייזר האות מהשלב הראשון של המגבר הפרמטרי האופטי והשלב השני של המגבר הפרמטרי האופטי (קרדיט: פוטוניקה מתקדמת Nexus)
החוקרים מצאו כי אורך הגל המרכזי של לייזר האות המוגבר זהה לזה של לייזר הזרעים, אך הספקטרום מתרחב מעט.
למרות שרעש הקרינה הפרמטרי עשוי להתגבר ככל שעוצמת המשאבה גדלה, יחס האות לרעש נשאר קרוב ל 50 dB.
כדי למדוד במדויק את התפתחות ברדיעת הקו של לייזר 1553 ננומטר במהלך תהליך ההגברה הפרמטרי האופטי, החוקרים השתמשו באינטרפרומטר סריקה ברזולוציה של כ- 1 מגה הרץ וטווח ספקטרלי חופשי של 1.5 ג'יגה הרץ.
רוחב הקו הראשוני של לייזר הגל הרציף מתרחב מ- 180 מגה הרץ ל 370 מגה הרץ ו- 580 מגה הרץ בשלב הראשון של המגבר הפרמטרי האופטי והשלב השני של המגבר הפרמטרי האופטי, בהתאמה.
תמונה|החוקרים חקרו את משך הדופק של לייזרי משאבה ואותות עם גלאי פוטו של IngaAs (קרדיט: פוטוניקס מתקדם Nexus).
בשל סף המעבר הפרמטרי של תהליך המגבר הפרמטרי האופטי, לייזרי אותות יש חזית דופק תלולה יותר מאשר לייזרי משאבה, ומשך הזמן מצטמצם מ- 13.1 ns ל- 9 ns.
בהתבסס על כך, החוקרים השיגו לייזר פועם עם מגבר פרמטרי אופטי מבוסס 1553 ננומטר עם כוח ממוצע של 700 מגוואט ומשך דופק של 9 ns, שיכול לשמש כמקור משאבה לייצור לייזרים של 193 ננומטר.
כדי להרחיב עוד יותר את היישום של לייזר 193 ננומטר, החוקרים הדגימו באופן ניסיוני לראשונה קרן מערבולת 1553 ננומטר, בה מומר המצב הגאוסי הבסיסי של הלייזר הפועם של 1553 ננומטר, למצב של פרמיה של גאוס (LG), על ידי פרמקיית האופי-גאוסית. מצב.
במהלך תקופה זו הותקנה צלחת שלב ספירלה בקוטר 25 מ"מ במתאם עדשה בקוטר 25.4 מ"מ.
למרות שקצוות צלחת השלב הספירלי לא היו מצופים בציפוי אנטי-רפלקטיבי, העברתו הייתה גדולה מ- 90%.
המומנטום הזוויתי המסלול שנשא מועבר לאחר מכן ללייזר 221 ננומטר ולייזר 193 ננומטר בתהליך ייצור תדר סכום.
כדי לאמת את יצירת קורות המערבולת, החוקרים השתמשו במצלמה פירואלקטרית כדי להקליט את פרופילי הקורה של לייזר של 1553 ננומטר, לייזר של 221 ננומטר ולייזר של 193 ננומטר במצבים שונים.
לפני הכנסת צלחת הפאזה הסלילית, לייזר 1553 ננומטר, לייזר 221 ננומטר ולייזר 193 ננומטר, כולם הציגו פרופילי מצב גאוסיים. (פרופיל המצב הגאוסי מתייחס לדפוס קרן נפוץ בו חלוקת עוצמת האור מקבלת צורה של פונקציה גאוסית עם מאפייני פרופיל ספציפיים.)
עם הכנסת צלחת הפאזה הסלילית, מצב הלייזר של 1553 ננומטר מומר ומציג מגמת חלוקה עוצמתית מעגלית המאפיינת את המצב Laguerre-Gaussian. (הערה: מצב Laguerre-Gaussian הוא מצב חשוב לקורות לייזר.)
בקביעת המטען הטופולוגי שלה, החוקרים מצאו כי ניתן להשיג את דפוס ההפרדה של המצב Laguerre-Gaussian, מה שנקרא הרמיט-גאוס (HG, Hermite-Gauss) על ידי הצגת עדשה גלילית. (הערה: באופטיקה, מצב ההרמיט-גאוס הוא דפוס קרן חשוב.)
כדי למזער את ההשפעה של משמרת הפאזה של גוי על מצב ההרמיט-גאוס, קרן הלייזר של 193 ננומטר ממוקדת בתחילה על ידי עדשת פלואוריד סידן באורך מוקד של 200 מ"מ. (הערה: Shift שלב של גוי הוא תופעה ספציפית לשינוי שלב הקשור להתפשטות קרן גאוסית באופטיקה.)
מכיוון שלעדשה הגלילית יש אורך מוקד קצר, היא ממוקמת בסמוך למוקד עדשת הסידן פלואוריד.
העדשה הגלילית ממירה את הקורה העגולה לשני כתמים בהירים עם פער במרכז, מה שמצביע על יצירת קרן מערבולת עם מטען טופולוגי של 1. תוצאה זו תואמת את משמרת הפאזה 2π של לוחית הפאזה הסלילית. (הערה: משמרת הפאזה של 2π מרמזת כי גל אחד משלים מחזור מלא ביחס לשני.)
בגלל ההבדל המשמעותי בהתפלגות האינטנסיביות בין קרן המערבולת למצב הגאוסי, יש להגביר את קרן לייזר 258 ננומטר כדי להיות מסוגל לכסות את לייזר 1553 ננומטר, מה שמבטיח העברה טובה יותר של המומנטום הזוויתי מסלול במגנרטור 1 ותדר סכום 2.
עם זאת, צפיפות הכוח החלשה יותר של לייזר 258 ננומטר בהשוואה לניסויי המצב הגאוסיים המלאים שתוארו לעיל הפחיתה משמעותית את יעילות ההמרה של ייצור תדר הסכום עד לנקודה בה החוקרים השיגו רק 30 מגה-וואט של לייזר 221 ננומטר ו -3 מגה-וואט של לייזר 193 ננומטר.
על פי חוק השימור של המומנטום הזוויתי המסלול בתהליכים לא לינאריים, המטען הטופולוגי של הלייזר שנוצר על ידי ייצור תדר סכום שווה לסכום המטענים הטופולוגיים של לייזר המשאבה.
לפיכך, המטען הטופולוגי של לייזר 1553 ננומטר הוא 1, המטען הטופולוגי של לייזר 258 ננומטר הוא 0 מכיוון שהוא במצב גאוסי, והמטען הטופולוגי של לייזר 221 ננומטר הוא 1.
במהלך תקופה זו, דפוס ההפרדה של קרן המערבולת של 193 ננומטר מפוצל לשלושה כתמים בהירים עם שני פערים כהים בין לבין, ואילו חלוקת העוצמה נשארת מעגלית.
בהשוואה לקרן המערבולת הבסיסית במהירות של 1553 ננומטר, פרופילי קרן המערבולת של לייזר 221 ננומטר ולייזר 193 ננומטר מעוותים בהכרח במהלך תהליך ייצור תדר הסכום בגלל אי התאמה של הפאזה והשפעות הליכה של הקריסטל הלא-לינארי.
יחד עם זאת, מבנה המפל מגדיל את המורכבות של המרת המומנטום הזוויתי של האורביטל ואף עשוי להוביל להשפלת מצב. (השפלה של המצב היא תופעה בה המאפיינים של מצבים ספציפיים הקיימים במקור במוצרי גל אופטיים מתדרדרים או חורגים מהמצב האידיאלי.)
החוקרים מאמינים כי יתכן שניתן לשפר את איכות המצבים הנושאים תנופה זוויתית מסלולית באמצעות גבישים קצרים יותר, או באמצעות תהליך ייצור תדר סכום נפרד.
בהתחשב בעובדה כי לייזר 1553 ננומטר נשאב ומוגבר על ידי לייזר 1 {4}} 30 ננומטר, יעילות ההמרה הכוללת מלייזר 1030 ננומטר ללייזר 193 ננומטר היא בערך 0.55%. לפיכך, למרות יעילות ההמרה הנמוכה הנוכחית, על ידי הגדלת כוח המשאבה של 1030 ננומטר, כוחו של לייזר 193 ננומטר צפוי להיות יותר ממאות מיליוואט ואולי אפילו בסדר גודל של וואט.
בנוסף, השימוש בקריסטלים לא לינאריים עם מקדמים לא לינאריים גבוהים יותר ישפר משמעותית את היתכנותה של השגת מטרה זו.
במקביל, על ידי הכנסת צלחת פאזה סלילית, ניתן להמיר את המצב הגאוסי למצב Laguerre-Gaussian, מה שמאפשר יצירת קרן מערבולת 1553 ננומטר הנושאת תנופה זוויתית מסלולית.
על ידי שינוי משמרת הפאזה של לוחית הפאזה הסלילית, ניתן לשנות בקלות את סדר המטען הטופולוגי. מחקרים קודמים דיווחו כי ניתן להגביר את הקורות הנושאות תנופה זוויתית מסלולית בסיבים גבישים בודדים ובפלזמות חנקן, מה שמרמז כי ניתן להגביר את קרן המערבולת של 193 ננומטר בלאיזרי אקסמר.
בהתבסס על כך, החוקרים צופים כי ניתן להשתמש בלייזר 193 ננומטר במגוון יישומים חדשים, תוך שימוש בתפוקת הכוח הגבוהה שלו ובמאפייני קרן המערבולת הייחודיים.
