Výzkumníci z Institutu pro inovace informací o kosmických informacích na čínské akademii věd (CAS) a University of Chinese Academy of Sciences (UCAS) vytvořili kompaktní pevný nanosekundový laserový systém, který se očekává v oblasti, která bude v budoucnu používána v budoucnu.
Konkrétně vědci vyvinuli krystalový zesilovač YB: YAG, který generuje laser 1030 nm, který je rozdělen do dvou částí: jeden, který generuje 258 nm laser přes čtvrtý harmonický a ten, který se používá k čerpání světle parametrického zesilovače schopného generovat 1553 nm laser. Frekvenční míchání těchto paprsků v kaskádovém krystalu produkuje laser 193 nm s průměrnou silou 70 MW a šířkou šířky menší než 880 MHz.
Zavedením helikální fázové destičky do paprsku 1553 nm před smícháním kmitočtu vědci vytvořili orbitální paprsek hybnosti.
Podle znalostí vědců je to první demonstrace paprsku orbitálního hybného hybnosti 193 nm z laseru pevného stavu.
Takový paprsek je cenný pro vzrušující hybridní argon fluorid (ARF) excimerové lasery a má potenciální aplikace při zpracování a detekci defektů.
ARF je excimerový laser s vlnovou délkou 193 nm, který je v hlubokém ultrafialovém pásmu. V polovodičové výrobě se lasery ARF používají hlavně pro litografii s vysokým rozlišením.
Je také třeba poznamenat, že provozní šířka pásma systému je menší než 880 MHz a jeho spektrální výkon čistoty je srovnatelný s výkonem dnešních komerčních systémů. Současně systém zabírá optickou platformu přibližně 1200 mm x 1800 mm a jeho stopa může být dále snížena, aby splňovala požadavky průmyslových aplikací.
Proces přeměny z laseru 1030 nm na laser 193 nm je popsán jako velmi podobný předchozí práci vědců.
Konkrétně laserový zesilovač 1030 nm založený na 2mmx2mmx30mm YB: YAG Crystal pumpovaný 100 W multimodovým laserovým diodou (LD) při 969 nm je schopen dodávat více než 14 W 1030 nm pulzní laserové světla 13,1 ns.
Je důležité si uvědomit, že čerpání - je proces, který používá světlo ke zvýšení elektronů z nižších na vyšší hladiny energie v atomu nebo molekule.
Ve studii byli vědci schopni generovat laser 258 nm z laseru 1030 nm prostřednictvím po sobě jdoucí druhé harmonické generace a čtvrté harmonické generační procesy v krystalech lithia a lithia cesia hexaborátu. Lasery 1030 nm lze také použít jako čerpací zdroj pro dvoustupňové optické parametrické zesilovače, aby se dodali vysoce výkonným, pulzním laserem 1553 nm.
Na rozdíl od zesilovače optických vláken použili vědci laserový zdroj založený na optickém parametrickém zesilovači k vytvoření pulzního laseru 1553 nm.
V důsledku této modifikace se systém stal kompaktnějším a elektronické řadiče již nebyly potřeba k synchronizaci 1553 nm a 258 nm pulzních vlaků v generování součtu frekvence, které lze provést pomocí optického zpoždění. (Poznámka: Harmonická generace je nelineární optický proces.)
Dvoustupňový proces generování součtu, čerpaný 1553 nm a 258 nm lasery, může generovat lasery 221 nm a 193 nm lasery pomocí kaskádového lithiového triborate krystalu.
Pro pulzní laserový zdroj 1553 nm se skládá ze dvou částí: jednofrekvenční distribuované distribuované dieda diody s kontinuální vlnou (CW), která působí jako zdroj semen a dvoustupňového optického parametrického zesilovače založeného na periodicky polarizovaném lithiovém niobatovém krystalu.
Jednofrekvenční distribuovaná zpětná vazba laserové diody pracuje při 1553 nm a vydává průměrnou sílu 12 MW. Ve studii byl zaveden laser 1030 nm čerpadla do 1mmx1mmx40 mm periodicky polarizovaného lithia niobtového krystalu spolu s laserem semen za vzniku první fáze optického parametrického zesilovače.
Během této doby byl amplifikovaný signální laser odfiltrován z výstupu první fáze optického parametrického zesilovače a druhé fáze optického parametrického zesilovače prostřednictvím speciální optiky, dichroickým zrcadlem, doprovázený zbytkovým laserem čerpadla a 3- μm.
Následně vědci použili laserovou energetickou sondu ke stanovení síly signálního laseru, aby odlišili komponentu pulzního signálu od laseru semen kontinuální vlny.
V důsledku nízkého pracovního cyklu laseru čerpadla a slabé síly laseru semen byl prahový práh optického parametrického zesilovače blízko 600 MW. (POZNÁMKA: DOBÁVACÍ CYKLOUL je poměr doby, kdy je signál na vysoké úrovni během pulzního cyklu k celé době pulzního cyklu a obvykle je vyjádřen jako procento.)
U laseru čerpadla při průměrné síle asi 700 MW získali vědci více než pulzní energii z první fáze optického parametrického zesilovače, což odpovídá průměrnému výkonu 48 MW.
Amplifikovaný pulzní signál byl poté dále amplifikován ve druhém stupni optického parametrického zesilovače, kde byla získána maximální výkon čerpadla 3 W pomocí dalšího 5mmx3mmx30 mm periodicky polarizovaného lithia niobatového krystalu.
Zároveň vědci udržovali hustotu výkonu čerpadla ve druhé fázi optického parametrického zesilovače blízko 30 MW/cm², aby se zabránilo fotorefraktivnímu poškození pravidelně polarizovaným lithiovým niobátem. (POZNÁMKA: Fotorefrakční poškození je nežádoucí optický efekt, ke kterému dochází, když je fotorefraktivní materiál vystaven jasnému světlu.)
Obrázek|Průměrný výkon signálního laseru ve druhé fázi optického parametrického zesilovače versus výkonu čerpadla (zdroj: pokročilá fotonika Nexus)
S tím vědci získali signální laser 700 MW při 1553 nm, což odpovídá účinnosti 23,3%.
Toto zvýšení účinnosti naznačuje, že výstupní výkon může být dále zlepšen se zvyšováním energie čerpadla.
Obrázek|Spektra zdroje semen a signální laser z první fáze optického parametrického zesilovače a druhé fáze optického parametrického zesilovače (kredit: pokročilý fotonics Nexus)
Vědci zjistili, že středová vlnová délka amplifikovaného signálního laseru je stejná jako vlnová laser semen, ale spektrum se mírně rozšíří.
Ačkoli se parametrický fluorescenční šum může zvyšovat se zvyšováním výkonu čerpadla, poměr signál-šum zůstává téměř 50 dB.
Pro přesné měření vývoje šířky šířky laseru 1553 nm během procesu optického parametrického amplifikace vědci použili skenovací interferometr s rozlišením asi 1 MHz a volný spektrální rozsah 1,5 GHz.
Počáteční šířka laseru kontinuální vlny se rozšiřuje z 180 MHz na 370 MHz a 580 MHz během první fáze optického parametrického zesilovače a druhé fáze optického parametrického zesilovače.
Obrázek|Vědci zkoumali trvání pumpu pumpy a signálních laserů s fotodetektorem IngaAS (kredit: pokročilý fotonics Nexus).
Vzhledem k parametrickému prahu přechodu procesu optického parametrického zesilovače mají signální lasery strmější frontu pulsu než lasery čerpadla a doba trvání se zkrátí z 13,1 ns na 9 ns.
Na základě toho vědci získali pulzní laser na bázi 1553 nm na bázi optického parametrického zesilovače s průměrným výkonem 700 MW a trvání pulsu 9 ns, který lze použít jako zdroj čerpadla pro generování 193 nm laserů.
Pro další rozšíření aplikace laseru 193 nm, vědci experimentálně demonstrovali poprvé 1553 nm vírový paprsek, ve kterém je základní Gaussovský režim 1553 nm pulzního laseru převeden do režimu orbitálního úhlu, který zavádí hybnourku, po optikálním parametrickém amplážním paprsku. režim.
Během této doby byla spirálová fáze o průměru 25 mm namontována v adaptéru čočky o průměru 25,4 mm.
Ačkoli konce spirálové fázové destičky nebyly potaženy antireflexním povlakem, jeho přenos byl větší než 90%.
Nesená orbitální úhlová hybnost se poté přenese na laser 221 nm a 193 nm laserem prostřednictvím procesu generování součtu.
K ověření generování vírových paprsků vědci použili pyroelektrickou kameru k zaznamenávání profilů paprsku laseru 1553 nm, laser 221 nm a laser 193 nm v různých režimech.
Před vložením helikální fázové destičky vykazovaly laser 1553 nm, 221 nm laser a 193 nm laser. (Profil Gaussovského režimu označuje běžný vzor paprsku, ve kterém distribuce intenzity světla nabývá tvaru gaussovské funkce se specifickými charakteristikami profilu.)
Po vložení helikální fázové destičky se převádí laserový režim 1553 nm a vykazuje trend distribuce kruhové intenzity, který je charakteristický pro režim Laguerre-Gaussov. (Poznámka: Režim Laguerre-Gaussa je důležitým režimem pro laserové paprsky.)
Při určování svého topologického náboje vědci zjistili, že difrakční vzorec laguerre-gaussovského režimu, tzv. Hermit-gaussovský (HG, Hermit-Gauss), lze získat jednoduše zavedením válcové čočky. (Poznámka: V optice je režim Hermit-Gauss důležitým vzorcem paprsku.)
Pro minimalizaci účinku fázového posunu Gouy na režim Hermit-Gauss je laserový paprsek 193 nm zpočátku zaostřen čočkou vápníku s ohniskovou vzdáleností 200 mm. (Poznámka: Gouy fázový posun je specifický jev fázového posunu spojený s propagací Gaussova paprsku v optice.)
Vzhledem k tomu, že válcová čočka má krátkou ohniskovou vzdálenost, je umístěna poblíž ohniska čočky vápníku.
Cylindrická čočka přeměňuje kruhový paprsek na dvě jasné skvrny s mezerou ve středu, což ukazuje na generování vírového paprsku s topologickým nábojem 1. Tento výsledek je v souladu s 2π fázovým posunem helikální fázové destičky. (Poznámka: Posun fáze 2π znamená, že jedna vlna dokončí celý cyklus s ohledem na druhou.)
Vzhledem k významnému rozdílu v distribuci intenzity mezi vírovým paprskem a gaussovským režimem musí být paprsek 258 nm laseru amplifikován, aby byl schopen pokrýt laser 1553 nm, což zajišťuje lepší přenos orbitálního úhlového hybnosti v souhrnném generátoru 1 a sum-frekvenční generátor 2.
Slabší hustota výkonu laseru 258 nm ve srovnání s experimenty s plným Gaussovým režimem však významně výrazně snížila účinnost přeměny generování součtu do bodu, kdy vědci získali pouze 30 MW 221 nm laseru a 3 MW laseru 193 nm.
Podle zákona zachování orbitální úhlové hybnosti v nelineárních procesech je topologický náboj laseru generovaného generováním součtu roven součtu topologických nábojů laseru čerpadla.
Topologický náboj laseru 1553 nm je proto 1, topologický náboj laseru 258 nm je 0, protože je v gaussovském režimu a topologický náboj s laserem 221 nm je 1.
Během tohoto období je difrakční vzorec vírového paprsku 193 nm rozdělen do tří jasných míst se dvěma tmavými mezerami mezi nimi, zatímco distribuce intenzity zůstává kruhová.
Ve srovnání se základním vírovým paprskem při 1553 nm jsou profily vírového paprsku 221 nm laseru a 193 nm laser nevyhnutelně zkreslené během procesu generování součtu v důsledku fázového nesouladu a účinky nelineárního krystalu.
Současně kaskádová struktura zvyšuje složitost přeměny orbitální úhlové hybnosti a může dokonce vést k degradaci režimu. (Degradace režimu je jev, ve kterém se vlastnosti specifických režimů původně vyskytují v optickém vlnovodu zhoršují nebo se odchýlí od ideálního stavu.)
Vědci se domnívají, že je možné zlepšit kvalitu režimů nesoucích orbitální úhtní hybnost pomocí kratších krystalů nebo pomocí samostatného procesu generování součtu.
Vzhledem k tomu, že laser 1553 nm je čerpán a zesílen 1 0 30 nm laserem, je celková konverzní účinnost z laseru 1030 nm na laser 193 nm asi 0,55%. Proto se navzdory současné účinnosti nízké konverze zvýšením výkonu čerpadla 1030 nm očekává, že síla laseru 193 nm bude vyšší než stovky miliwattů a možná i v řádu wattů.
Kromě toho použití nelineárních krystalů s vyššími nelineárními koeficienty významně zlepší proveditelnost dosažení tohoto cíle.
Současně vložením helikální fázové destičky lze Gaussovský režim převést na Laguerre-Gaussovský režim, což umožňuje generování paprsku víru 1553 nm nesoucí orbitální úhlovou hybnost.
Změna fázového posunu helikální fázové destičky lze snadno změnit pořadí topologického náboje. Předchozí studie uvádějí, že paprsky nesoucí orbitální úhlu hybnosti mohou být amplifikovány v jednokrystalních vláknech a dusících plazmatech, což naznačuje, že vírový paprsek 193 nm může být také amplifikován v excimerových laserech.
Na základě toho vědci předpokládají, že laser 193 nm lze použít v různých nových aplikacích, využívat jeho vysoce výkonný a jedinečný charakteristika vířivého paprsku.
