ابتكر باحثون من معهد معلومات الفضاء في الأكاديمية الصينية للعلوم (CAS) وأكاديمية العلوم الصينية (UCAs) نظام ليزر نانو ثانية متماسك من 6 كيلو هرتز ، والذي من المتوقع أن يتم استخدامه في مجال الحافة المتماسكة في المستقبل.
على وجه التحديد ، قام الباحثون بتطوير مكبر للصوت الكريستالي YB: YAG الذي يولد ليزر 1030 نانومتر ينقسم إلى جزأين: أحدهم يولد ليزر 258 نانومتر من خلال التوافقي الرابع ، ويستخدم لضخ مضخم حدودي خفيف قادر على توليد ليزر 1553 نانومتر. ينتج خلط التردد لهذه الحزم في Cascade Crystal ليزر 193 نانومتر مع متوسط قوة 70 ميجاوات وعرض خط أقل من 880 ميغاهيرتز.
من خلال إدخال لوحة مرحلة حلزونية في شعاع 1553 نانومتر قبل خلط التردد ، قام الباحثون بإنشاء شعاع زخم زاوي مداري.
على علم الباحثين ، هذا هو العرض الأول لحزمة الزخم المداري 193 نانومتر من ليزر الحالة الصلبة.
مثل هذا الحزمة قيمة لليزر المثير للفلورايد الهجينة (ARF) وله تطبيقات محتملة في معالجة الرقاقة والكشف عن العيوب.
ARF هو ليزر Excimer بطول موجة يبلغ 193 نانومتر ، وهو في نطاق الأشعة فوق البنفسجية العميقة. في تصنيع أشباه الموصلات ، تستخدم ليزر ARF بشكل أساسي للطباعة الحجرية عالية الدقة.
تجدر الإشارة أيضًا إلى أن عرض النطاق الترددي للتشغيل للنظام أقل من 880 ميغاهيرتز ، وأداء نقاءه الطيفي مماثل لأداء الأنظمة التجارية اليوم. في الوقت نفسه ، يحتل النظام منصة بصرية تبلغ حوالي 1200 مم × 1800 مم ، ويمكن تخفيض بصمته لتلبية متطلبات التطبيقات الصناعية.
يوصف عملية التحويل من ليزر 1030 نانومتر إلى ليزر 193 نانومتر بأنه يشبه إلى حد كبير العمل السابق من قبل الباحثين.
على وجه التحديد ، فإن مكبر الصوت ليزر 1030 نانومتر يعتمد على 2mmx2mmx30mm yb: yag crystal التي تم ضخها بواسطة الصمام الثنائي ليزر 100 واط (LD) عند 969 نانومتر قادر على توصيل أكثر من 14 واط من ضوء الليزر النبضي 1030 نانومتر مع تواتر معاده 6 كيلو هرتز وزيارة من 13
من المهم أن نلاحظ أن الضخ - هي عملية تستخدم الضوء لرفع الإلكترونات من مستويات الطاقة السفلية إلى أعلى في ذرة أو جزيء.
في الدراسة ، تمكن الباحثون من توليد ليزر 258 نانومتر من ليزر 1030 نانومتر من خلال توليد التوافقي الثاني المتتالي وعمليات توليد التوافقي الرابعة في بلورات قبيلة الليثيوم وسداسي ليثيوم سيزيوم ، على التوالي. يمكن أيضًا استخدام الليزر 1030 نانومتر كمصدر للضخ للمكبرات الصوفية البصرية على مرحلتين من أجل تقديم ليزر 1553 نانومتر عالي الطاقة.
على عكس مضخم الألياف البصرية ، استخدم الباحثون مصدرًا ليزرًا يعتمد على مضخم حدودي بصري لإنشاء الليزر النبضي 1553 نانومتر.
نتيجة لهذا التعديل ، أصبح النظام أكثر إحكاما ، ولم تعد هناك حاجة إلى وحدات تحكم إلكترونية لمزامنة قطار النبض 1553 نانومتر و 258 نانومتر في توليد التردد ، والذي يمكن إنجازه باستخدام خط تأخير بصري. (ملاحظة: التوليد التوافقي هو عملية بصرية غير خطي.)
يمكن لعملية توليد التردد على مرحلتين ، التي تم ضخها بمقدار 1553 نانومتر و 258 نانومتر ، أن تولد ليزر 221 نانومتر و 193 نانومتر ليزر ، على التوالي ، من خلال استخدام بلورة ليثيوم ليثيوم متتالية.
بالنسبة لمصدر الليزر النبضي 1553 نانومتر ، فإنه يتكون من جزأين: موجة مستمرة (CW) موزع التردد الواحد الموزعة بالليزر التي تعمل كمصدر للبذور ، ومضخم حدودي بصري من مرحلتين استنادًا إلى بلورة نيوبت ليثيوم مستقطبة بشكل دوري.
يعمل الصمام الثنائي ليزر التغذية المرتدة للترددات أحادية التردد عند 1553 نانومتر وينبعث من متوسط طاقة 12 ميجاوات. في الدراسة ، تم إدخال ليزر مضخة 1030 نانومتر في بلورة نيوبات ليثيوم 1MMx1mmx40mm بشكل دوري مع ليزر البذور لتشكيل المرحلة الأولى من مضخم حدودي بصري.
خلال هذا الوقت ، تم ترشيح ليزر الإشارة المتضخمة من إخراج المرحلة الأولى من مضخم حدودي بصري والمرحلة الثانية من مضخم حدودي بصري من خلال بصري خاص ، مرآة ثنائية اللون ، مصحوبة بليزر المضخة المتبقية و 3- μm idler laser.
بعد ذلك ، استخدم الباحثون مسبار طاقة الليزر لتحديد قوة ليزر الإشارة من أجل التمييز بين مكون الإشارة النبضي من ليزر بذور الموجة المستمرة.
نظرًا لدورة العمل المنخفضة لليزر المضخة والطاقة الضعيفة للليزر البذور ، كانت عتبة ضخ مضخم حدودي بصري قريبة من 600 ميجاوات. (ملاحظة: دورة العمل هي نسبة الوقت الذي تكون فيه الإشارة في مستوى عالٍ خلال دورة النبض إلى وقت دورة النبض بأكمله ، وعادة ما يتم التعبير عنه كنسبة مئوية.)
مع الليزر المضخة عند متوسط قوة يبلغ حوالي 700 ميجاوات ، حصل الباحثون على أكثر من طاقة النبض من المرحلة الأولى من مضخم حدودي ضوئي ، وهو ما يتوافق مع متوسط قوة 48 ميجاوات.
ثم تم تضخيم إشارة النبض المتضخمة في المرحلة الثانية من مضخم حدودي بصري ، حيث تم الحصول على طاقة مضخة أقصى قدرها 3 واط باستخدام بلورة نيوبات ليثيوم مستقطبة بحجم 5 مم × 3 ملم.
في الوقت نفسه ، احتفظ الباحثون بكثافة طاقة الليزر في المضخة في المرحلة الثانية من مضخم حدودي بصري يقترب من 30 ميجاوات/سم² لتجنب أضرار النيابة الضوئية الناتجة عن نيوبيت الليثيوم المستقطبة بشكل دوري. (ملاحظة: الأضرار الفاصلة للضوء هي تأثير بصري غير مرغوب فيه يحدث عندما تتعرض مادة ضوئية للضوء للضوء الساطع.)
صورة|متوسط قوة ليزر الإشارة في المرحلة الثانية من مضخم حدودي بصري مقابل قوة المضخة (المصدر: الفوتونيك المتقدمة)
مع هذا ، حصل الباحثون على ليزر إشارة 700 ميجاوات عند 1553 نانومتر ، وهو ما يتوافق مع كفاءة 23.3 ٪.
تشير هذه الزيادة في الكفاءة إلى أنه يمكن تحسين طاقة الخرج مع زيادة طاقة المضخة.
صورة|أطياف مصدر البذور والإشارة ليزر من المرحلة الأولى من مضخم حدودي بصري والمرحلة الثانية من مضخم حدودي بصري (الائتمان: الفوتونيك المتقدمة)
وجد الباحثون أن الطول الموجي المركزي لليزر الإشارة المتضخمة هو نفسه من الليزر البذري ، لكن الطيف يمتد قليلاً.
على الرغم من أن ضوضاء مضان حدودي قد تزداد مع زيادة طاقة المضخة ، إلا أن نسبة الإشارة إلى الضوضاء تظل قريبة من 50 ديسيبل.
لقياس تطور عرض الخط الدقيق للليزر 1553 نانومتر أثناء عملية التضخيم البصرية البصرية ، استخدم الباحثون مقياس التداخل المسح الضوئي بدقة حوالي 1 ميغاهيرتز ونطاق طيفي مجاني من 1.5 جيجاهرتز.
يمتد عرض الخط الأولي للليزر الموجي المستمر من 180 ميجا هرتز إلى 370 ميغاهيرتز و 580 ميغاهيرتز خلال المرحلة الأولى من مضخم حدودي بصري والمرحلة الثانية من مضخم حدودي بصري ، على التوالي.
صورة|قام الباحثون بالتحقيق في مدة النبض من الليزر المضخة والإشارة مع الكشف الضوئي Ingaas (الائتمان: الفوتونيك المتقدمة Nexus).
بسبب عتبة الانتقال البارامترية لعملية مضخم البارامترية البصرية ، فإن ليزر الإشارة لديها جبهة نبض أكثر حدة من الليزر المضخة ، ويتم تقليل المدة من 13.1 نانو ثانية.
استنادًا إلى ذلك ، حصل الباحثون على ليزر نابض بنبض 1553 نانومتر البصري بمتوسط 700 ميجاوات ومدة نبض 9 نانو ثانية ، والتي يمكن استخدامها كمصدر للمضخة لتوليد الليزر 193 نانومتر.
لتوسيع نطاق تطبيق الليزر الذي يبلغ 193 نانومتر ، أظهر الباحثون بشكل تجريبي لأول مرة حزمة دوامة 1553 نانومتر ، حيث يتم تحويل الوضع الغاوسي الأساسي للليزر النبضي 1553 نانومتر ، إلى وضع Place-Optical المداخل الذي يحمل الصلاحية الحلزونية. وضع.
خلال هذا الوقت ، تم تثبيت لوحة الطور الحلزوني قطرها 25 مم في محول عدسة قطرها 25.4 مم.
على الرغم من أن نهايات لوحة الطور الحلزونية لم تكن مغلفة بطبقة مضادة للانعكاس ، إلا أن انتقاله كان أكبر من 90 ٪.
ثم يتم نقل الزخم الزاوي المداري المحمل إلى ليزر 221 نانومتر و 193 نانومتر بالليزر من خلال عملية توليد التردد.
للتحقق من توليد عوارض الدوامة ، استخدم الباحثون كاميرا كهروضوئية لتسجيل ملامح الشعاع للليزر 1553 نانومتر وليزر 221 نانومتر وليزر 193 نانومتر في أوضاع مختلفة.
قبل إدخال لوحة الطور الحلزوني ، عرض ليزر 1553 نانومتر ، و 221 نانومتر ليزر ، و 193 نانومتر ليزر جميع ملفات تعريف الوضع الغوسي. (يشير ملف تعريف الوضع الغوسي إلى نمط شعاع شائع حيث يأخذ توزيع كثافة الضوء على شكل وظيفة غوسية مع خصائص ملف تعريف محددة.)
عند إدخال لوحة الطور الحلزوني ، يتم تحويل وضع الليزر 1553 نانومتر ويظهر اتجاه توزيع كثافة دائرية مميزة لوضع Laguerre-Gaussian. (ملاحظة: يعد وضع Laguerre-Gaussian وضعًا مهمًا لحزم الليزر.)
عند تحديد شحنتها الطوبولوجية ، وجد الباحثون أن نمط الحيود في وضع Laguerre-Gaussian ، وهو ما يسمى بوضع Hermite-Gaussian (HG ، Hermite-Gauss) ، يمكن الحصول عليه ببساطة عن طريق إدخال عدسة أسطوانية. (ملاحظة: في البصريات ، يعد وضع Hermite-Gauss نمط شعاع مهم.)
لتقليل تأثير تحول طور Gouy على وضع Hermite-Gauss ، تركز شعاع الليزر 193 نانومتر في البداية بواسطة عدسة فلوريد الكالسيوم بطول بؤري قدره 200 مم. (ملاحظة: تحول Gouy Phase هو ظاهرة محددة من طور تحول المرحلة المرتبطة بانتشار شعاع غاوسي في البصريات.)
نظرًا لأن العدسة الأسطوانية لها طول بؤري قصير ، يتم وضعها بالقرب من النقطة المحورية لعدسة فلوريد الكالسيوم.
تقوم العدسة الأسطوانية بتحويل الحزمة الدائرية إلى بقعة مشرقة مع وجود فجوة في الوسط ، مما يشير إلى توليد شعاع دوامة مع شحنة طوبولوجية من 1. هذه النتيجة تتفق مع تحول الطور 2π من لوحة الطور الحلزوني. (ملاحظة: يشير تحول المرحلة 2π إلى أن الموجة واحدة تكمل دورة كاملة فيما يتعلق بالآخر.)
بسبب الاختلاف الكبير في توزيع الكثافة بين شعاع الدوامة والوضع الغاوسي ، يجب تضخيم شعاع الليزر الذي تبلغ مساحته 258 نانومتر ليكون قادرًا على تغطية الليزر 1553 نانومتر ، مما يضمن نقل أفضل للزخم الزاوي المداري في مولد التردد 1 ومولد التراجع 2.
ومع ذلك ، فإن كثافة الطاقة الأضعف للليزر 258 نانومتر مقارنة بتجارب الوضع الغاوسي الكامل الموصوفة أعلاه قللت بشكل كبير من كفاءة التحويل لتوليد التردد للمجموع إلى النقطة التي حصل فيها الباحثون على 30 ميجاوات فقط من ليزر 221 نانومتر و 3 ميجاوات من ليزر 193 نانومتر.
وفقًا لقانون الحفاظ على الزخم الزاوي المداري في العمليات غير الخطية ، فإن الشحنة الطوبولوجية للليزر الناتجة عن توليد التردد في الملحق تساوي مجموع الشحنات الطوبولوجية لليزر المضخة.
لذلك ، فإن الشحنة الطوبولوجية للليزر 1553 نانومتر هي 1 ، الشحن الطوبولوجي للليزر 258 نانومتر هو 0 لأنه في الوضع الغوسي ، والشحن الطوبولوجي للليزر 221 نانومتر هو 1.
خلال هذه الفترة ، يتم تقسيم نمط الحيود في شعاع دوامة 193 نانومتر إلى ثلاثة بقع مشرقة مع وجود فجوة مظلمة بينهما ، بينما يظل توزيع الشدة دائريًا.
بالمقارنة مع شعاع الدوامة الأساسي في 1553 نانومتر ، يتم تشويه ملامح شعاع الدوامة للليزر 221 نانومتر وليزر 193 نانومتر حتما أثناء عملية توليد الترددات الناتجة عن عدم تطابق الطور وتأثيرات المشي في البلورة غير الخطية.
في الوقت نفسه ، يزيد هيكل سلسلة من تعقيد تحويل الزخم الزاوي المداري وقد يؤدي حتى إلى تدهور الوضع. (تدهور الوضع هو ظاهرة تتدهور فيها خصائص أوضاع محددة في الأصل في دليل موجي بصري أو تنحرف عن الحالة المثالية.)
يعتقد الباحثون أنه قد يكون من الممكن تحسين جودة الأوضاع التي تحمل الزخم الزاوي المداري عن طريق استخدام بلورات أقصر ، أو باستخدام عملية توليد التردد في المبلغ المنفصل.
بالنظر إلى أن الليزر 1553 نانومتر يتم ضخه وتضخيمه بواسطة ليزر 1 {4}} 30 نانومتر ، فإن كفاءة التحويل الإجمالية من الليزر 1030 نانومتر إلى ليزر 193 نانومتر حوالي 0.55 ٪. لذلك ، على الرغم من انخفاض كفاءة التحويل الحالية ، من خلال زيادة قوة المضخة في 1030 نانومتر ، من المتوقع أن تتجاوز قوة الليزر 193 نانومتر مئات الملليتات وربما حتى في ترتيب واط.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام البلورات غير الخطية مع معاملات غير خطية أعلى سيؤدي إلى تحسين جدوى تحقيق هذا الهدف بشكل كبير.
في الوقت نفسه ، من خلال إدخال لوحة مرحلة حلزونية ، يمكن تحويل الوضع الغاوسي إلى وضع Laguerre-Gaussian ، مما يتيح توليد شعاع دوامة 1553 نانومتر يحمل زخمًا زاويًا مداريًا.
من خلال تغيير تحول الطور في لوحة الطور الحلزوني ، يمكن تغيير ترتيب الشحنة الطوبولوجية بسهولة. ذكرت الدراسات السابقة أن الحزم التي تحمل الزخم الزاوي المداري يمكن تضخيمها في ألياف الكريستال الواحدة وبلازما النيتروجين ، مما يشير إلى أنه يمكن أيضًا تضخيم شعاع دوامة 193 نانومتر في الليزر الإكليمي.
بناءً على ذلك ، يتوقع الباحثون أنه يمكن استخدام ليزر 193 نانومتر في مجموعة متنوعة من التطبيقات الجديدة ، باستخدام ناتج الطاقة العالي وخصائص حزمة الدوامة الفريدة.
