นักวิทยาศาสตร์สร้างระบบเลเซอร์โซลิดสเตตขนาดกะทัดรัดซึ่งสามารถใช้ในการปรับปรุงความแม่นยำในการพิมพ์หินเซมิคอนดักเตอร์

นักวิจัยจากสถาบันข้อมูลอวกาศนวัตกรรมของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งจีน (CAS) และสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยจีน (UCAS) ได้สร้างระบบเลเซอร์นาโนของโซลิดสเตต

โดยเฉพาะอย่างยิ่งนักวิจัยได้พัฒนาแอมพลิฟายเออร์คริสตัล YB: YAG ที่สร้างเลเซอร์ 1030 นาโนเมตรซึ่งแบ่งออกเป็นสองส่วน: หนึ่งที่สร้างเลเซอร์ 258 นาโนเมตรผ่านฮาร์มอนิกที่สี่และหนึ่งที่ใช้ในการปั๊มแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์แสงที่สามารถสร้าง Laser ได้ 1553 NM การผสมความถี่ของคานเหล่านี้ในคริสตัลคาสเคดผลิตเลเซอร์ 193 นาโนเมตรที่มีกำลังเฉลี่ย 70 เมกะวัตต์และ linewidth น้อยกว่า 880 MHz

ด้วยการแนะนำแผ่นเฟสแบบเกลียวเข้าไปในคาน 1553 นาโนเมตรก่อนที่จะผสมความถี่นักวิจัยได้สร้างลำแสงโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจร

สำหรับความรู้ของนักวิจัยนี่เป็นการสาธิตครั้งแรกของลำแสงโมเมนตัมเชิงมุมขนาด 193 นาโนเมตรจากเลเซอร์โซลิดสเตต

ลำแสงดังกล่าวมีค่าสำหรับเลเซอร์ Excimer Hybrid Argon Fluoride (ARF) ที่น่าตื่นเต้นและมีแอพพลิเคชั่นที่มีศักยภาพในการประมวลผลเวเฟอร์และการตรวจจับข้อบกพร่อง

ARF เป็นเลเซอร์ excimer ที่มีความยาวคลื่น 193 นาโนเมตรซึ่งอยู่ในแถบอัลตราไวโอเลตลึก ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ ARF ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการพิมพ์หินความละเอียดสูง

นอกจากนี้ยังมีข้อสังเกตว่าแบนด์วิดท์การทำงานของระบบน้อยกว่า 880 MHz และประสิทธิภาพความบริสุทธิ์ของสเปกตรัมนั้นเทียบได้กับระบบการค้าของวันนี้ ในขณะเดียวกันระบบจะใช้แพลตฟอร์มออปติคัลประมาณ 1200 มม. x 1800 มม. และรอยเท้าของมันสามารถลดลงได้อีกเพื่อตอบสนองความต้องการของแอพพลิเคชั่นอุตสาหกรรม

กระบวนการแปลงจากเลเซอร์ 1,030 นาโนเมตรเป็นเลเซอร์ 193 นาโนเมตรอธิบายว่าคล้ายกับงานก่อนหน้านี้โดยนักวิจัย

โดยเฉพาะอย่างยิ่งแอมพลิฟายเออร์เลเซอร์ 1030 นาโนเมตรขึ้นอยู่กับ 2mmx2mmx30mm yb: yag คริสตัลสูบด้วยเลเซอร์ multimode ขนาด 100 W (LD) ที่ 969 นาโนเมตรสามารถส่งแสงได้มากกว่า 14 W จาก 1,030 นาโนเมตร

เป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องทราบว่าการสูบน้ำ - เป็นกระบวนการที่ใช้แสงเพื่อเพิ่มอิเล็กตรอนจากระดับต่ำถึงต่ำกว่าในระดับพลังงานในอะตอมหรือโมเลกุล

ในการศึกษานักวิจัยสามารถสร้างเลเซอร์ 258 นาโนเมตรจากเลเซอร์ 1,030 นาโนเมตรผ่านการสร้างฮาร์โมนิกที่สองอย่างต่อเนื่องและกระบวนการสร้างฮาร์โมนิกที่สี่ในผลึกลิเธียมทริบูทและลิเธียมซีเซียมเฮกเซียมเฮกซาบอเรตตามลำดับ เลเซอร์ 1,030 นาโนเมตรยังสามารถใช้เป็นแหล่งสูบน้ำสำหรับแอมพลิฟายเออร์แบบออพติคอลสองขั้นตอนเพื่อส่งเลเซอร์พัลส์ที่มีพลังสูงและพัลส์ 1553 นาโนเมตร

ซึ่งแตกต่างจากแอมพลิฟายเออร์ไฟเบอร์ออปติกนักวิจัยใช้แหล่งกำเนิดเลเซอร์บนพื้นฐานของแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์แบบออพติคอลเพื่อสร้างเลเซอร์พัลส์ subwatt 1553 นาโนเมตร

อันเป็นผลมาจากการปรับเปลี่ยนนี้ระบบมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้นและตัวควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ไม่จำเป็นต้องซิงโครไนซ์รถไฟพัลส์ 1553 นาโนเมตรและ 258 นาโนเมตรในการสร้างความถี่ผลรวมซึ่งสามารถทำได้โดยใช้สายการหน่วงเวลา (หมายเหตุ: การสร้างฮาร์มอนิกเป็นกระบวนการทางแสงที่ไม่เชิงเส้น)

กระบวนการสร้างความถี่ผลรวมสองขั้นตอนที่สูบด้วยเลเซอร์ 1553 นาโนเมตรและ 258 นาโนเมตรสามารถสร้างเลเซอร์ 221 นาโนเมตรและเลเซอร์ 193 นาโนเมตรตามลำดับผ่านการใช้คริสตัลลิเธียมลิเธียม

สำหรับแหล่งเลเซอร์พัลซิ่ง ค.ศ. 1553 นาโนเมตรประกอบด้วยสองส่วน: คลื่นความคิดเห็นแบบกระจายความถี่เดี่ยวแบบต่อเนื่อง (CW) ความถี่เดี่ยวแบบกระจายความถี่เลเซอร์ทำหน้าที่เป็นแหล่งเมล็ดพันธุ์

ไดโอดเลเซอร์ความคิดเห็นแบบกระจายความถี่เดี่ยวทำงานที่ 1553 นาโนเมตรและปล่อยพลังงานเฉลี่ย 12 เมกะวัตต์ ในการศึกษาได้มีการแนะนำเลเซอร์ปั๊ม 1030 นาโนเมตรเป็น 1 มม. x1mmx40 มม. เป็นระยะ ๆ คริสตัลลิเธียมไนโอเบตแบบโพลาไรซ์พร้อมกับเลเซอร์เมล็ดเพื่อสร้างระยะแรกของแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์แบบออพติคอล

ในช่วงเวลานี้เลเซอร์สัญญาณขยายจะถูกกรองออกจากเอาต์พุตของขั้นตอนแรกของแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์แบบออพติคอลและขั้นตอนที่สองของแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์แบบออพติคอลผ่านออปติกพิเศษกระจก dichroic พร้อมด้วยเลเซอร์ปั๊มที่เหลือ

ต่อจากนั้นนักวิจัยใช้โพรบพลังงานเลเซอร์เพื่อกำหนดพลังของเลเซอร์สัญญาณเพื่อแยกส่วนประกอบสัญญาณพัลซิ่งออกจากเลเซอร์เมล็ดคลื่นต่อเนื่อง

เนื่องจากรอบการทำงานต่ำของเลเซอร์ปั๊มและพลังงานที่อ่อนแอของเลเซอร์เมล็ดเกณฑ์การสูบน้ำของแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์แบบออพติคอลอยู่ใกล้กับ 600 เมกะวัตต์ (หมายเหตุ: รอบการทำงานคืออัตราส่วนของเวลาที่สัญญาณอยู่ในระดับสูงในระหว่างรอบพัลส์ไปยังรอบการเต้นของชีพจรทั้งหมดและมักจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์)

ด้วยเลเซอร์ปั๊มที่กำลังเฉลี่ยประมาณ 700 เมกะวัตต์นักวิจัยได้รับมากกว่าพลังงานพัลส์จากขั้นตอนแรกของแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์แบบออพติคอลซึ่งสอดคล้องกับกำลังเฉลี่ย 48 เมกะวัตต์

จากนั้นสัญญาณพัลส์ที่ขยายออกไปจะถูกขยายเพิ่มเติมในขั้นตอนที่สองของแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์แบบออพติคอลซึ่งได้รับพลังงานสูงสุด 3 W โดยใช้ผลึกลิเธียมไนโอเบตลิเธียมขนาด 5mmx3mmx30mm เป็นระยะ

ในเวลาเดียวกันนักวิจัยได้เก็บความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์ในระยะที่สองของแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์แบบออพติคอลใกล้กับ 30 mW/cm²เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายของแสงจากลิเธียม niobate โพลาไรซ์เป็นระยะ (หมายเหตุ: ความเสียหายของโฟโตเรสต์เป็นเอฟเฟกต์ออพติคอลที่ไม่พึงประสงค์ที่เกิดขึ้นเมื่อวัสดุ photorefractive สัมผัสกับแสงสว่าง)

รูปภาพ|กำลังเฉลี่ยของเลเซอร์สัญญาณในขั้นตอนที่สองของแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์แบบออพติคอลกับพลังงานปั๊ม (ที่มา: ขั้นสูงโฟโตนิกส์ Nexus)

ด้วยวิธีนี้นักวิจัยได้รับสัญญาณเลเซอร์ 700 MW ที่ 1553 nm ซึ่งสอดคล้องกับประสิทธิภาพ 23.3%

ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นนี้แสดงให้เห็นว่ากำลังขับสามารถปรับปรุงได้มากขึ้นเมื่อพลังงานของปั๊มเพิ่มขึ้น

รูปภาพ|สเปกตรัมของแหล่งที่มาของเมล็ดและเลเซอร์สัญญาณจากขั้นตอนแรกของแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์แบบออพติคอลและขั้นตอนที่สองของแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์แบบออพติคอล (เครดิต: ขั้นสูง Photonics Nexus)

นักวิจัยพบว่าความยาวคลื่นกลางของเลเซอร์สัญญาณขยายนั้นเหมือนกับเลเซอร์เมล็ด แต่สเปกตรัมขยายตัวเล็กน้อย

แม้ว่าเสียงฟลูออเรสเซนต์แบบพารามิเตอร์อาจเพิ่มขึ้นเมื่อพลังงานของปั๊มเพิ่มขึ้น แต่อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนยังคงอยู่ใกล้กับ 50 เดซิเบล

ในการวัดวิวัฒนาการ linewidth ของเลเซอร์ 1553 nm ในระหว่างกระบวนการขยายพารามิเตอร์แบบออพติคอลนักวิจัยใช้เครื่องสแกน interferometer ด้วยความละเอียดประมาณ 1 MHz และช่วงสเปกตรัมฟรี 1.5 GHz

linewidth เริ่มต้นของเลเซอร์คลื่นต่อเนื่องกว้างขึ้นจาก 180 MHz ถึง 370 MHz และ 580 MHz ในช่วงแรกของแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์แบบออพติคอลและขั้นตอนที่สองของแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์แบบออพติคอลตามลำดับ

รูปภาพ|นักวิจัยตรวจสอบระยะเวลาพัลส์ของปั๊มและเลเซอร์สัญญาณด้วยเครื่องถ่ายภาพ Ingaas (เครดิต: ขั้นสูงโฟโตนิกส์ Nexus)
เนื่องจากเกณฑ์การเปลี่ยนพารามิเตอร์ของกระบวนการแอมพลิฟายเออร์พารามิเตอร์แบบออพติคอลเลเซอร์สัญญาณมีชีพจรที่สูงชันกว่าเลเซอร์ปั๊มและระยะเวลาลดลงจาก 13.1 ns เป็น 9 ns

จากสิ่งนี้นักวิจัยได้รับเลเซอร์พารามิเตอร์แบบพารามิเตอร์แบบออพติคอลที่ใช้เลเซอร์ 1553 นาโนเมตรที่มีกำลังเฉลี่ย 700 เมกะวัตต์และระยะเวลาพัลส์ 9 ns ซึ่งสามารถใช้เป็นแหล่งปั๊มสำหรับสร้างเลเซอร์ 193 นาโนเมตร

เพื่อขยายการประยุกต์ใช้เลเซอร์ 193 นาโนเมตรนักวิจัยได้แสดงให้เห็นถึงการทดลองเป็นครั้งแรกคานกระแสน้ำวนในปี ค.ศ. 1553 นาโนเมตรซึ่งโหมดเกาส์พื้นฐานของเลเซอร์พัลส์พัลส์ 1553 นาโนเมตรจะถูกเปลี่ยนเป็น laguerre-gaussian (LG) โหมด.

ในช่วงเวลานี้แผ่นเฟสเกลียวขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 25 มม. ติดตั้งในอะแดปเตอร์เลนส์เส้นผ่านศูนย์กลาง 25.4 มม.

แม้ว่าปลายของแผ่นเฟสเกลียวไม่ได้ถูกเคลือบด้วยการเคลือบป้องกันแสงสะท้อน แต่การส่งสัญญาณของมันมากกว่า 90%

โมเมนตัมเชิงมุมที่ดำเนินการจะถูกถ่ายโอนไปยังเลเซอร์ 221 นาโนเมตรและเลเซอร์ 193 นาโนเมตรผ่านกระบวนการสร้างความถี่ผลรวม

ในการตรวจสอบการสร้างลำแสงกระแสน้ำวนนักวิจัยใช้กล้อง pyroelectric เพื่อบันทึกโปรไฟล์ลำแสงของเลเซอร์ 1553 นาโนเมตรเลเซอร์ 221 นาโนเมตรและเลเซอร์ 193 นาโนเมตรในโหมดต่าง ๆ

ก่อนที่จะแทรกแผ่นเฟสเฮลลิก, เลเซอร์ 1553 นาโนเมตร, เลเซอร์ 221 นาโนเมตรและเลเซอร์ 193 นาโนเมตรทั้งหมดแสดงโปรไฟล์โหมดเกาส์เซียน (โปรไฟล์โหมด Gaussian หมายถึงรูปแบบลำแสงทั่วไปซึ่งการกระจายความเข้มแสงใช้กับรูปร่างของฟังก์ชั่นเกาส์เซียนที่มีลักษณะเฉพาะโปรไฟล์)

เมื่อแทรกแผ่นเฟสเฮลลิกลงโหมดเลเซอร์ 1553 นาโนเมตรจะถูกแปลงและแสดงแนวโน้มการกระจายความเข้มแบบวงกลมซึ่งเป็นลักษณะของโหมด Laguerre-Gaussian (หมายเหตุ: โหมด Laguerre-Gaussian เป็นโหมดสำคัญสำหรับคานเลเซอร์)

ในการกำหนดค่าทอพอโลยีนักวิจัยพบว่ารูปแบบการเลี้ยวเบนของโหมด Laguerre-Gaussian, โหมด Hermite-Gaussian (HG, Hermite-Gauss) ที่เรียกว่า Hermite-Gaussian (HG, Hermite-Gauss) (หมายเหตุ: ในเลนส์โหมด Hermite-Gauss เป็นรูปแบบลำแสงที่สำคัญ)

เพื่อลดผลกระทบของการเปลี่ยนเฟส Gouy ในโหมด Hermite-Gauss ลำแสงเลเซอร์ขนาด 193 นาโนเมตรจะมุ่งเน้นไปที่เลนส์แคลเซียมฟลูออไรด์ที่มีความยาวโฟกัส 200 มม. (หมายเหตุ: การเปลี่ยนเฟสของ Gouy เป็นปรากฏการณ์การเปลี่ยนเฟสเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับการแพร่กระจายของลำแสงแบบเกาส์เซียนในเลนส์)

เนื่องจากเลนส์ทรงกระบอกมีความยาวโฟกัสสั้น ๆ จึงอยู่ใกล้กับจุดโฟกัสของเลนส์แคลเซียมฟลูออไรด์

เลนส์ทรงกระบอกแปลงลำแสงวงกลมเป็นจุดสว่างสองจุดที่มีช่องว่างตรงกลางซึ่งบ่งบอกถึงการสร้างลำแสงกระแสน้ำวนที่มีประจุทอพอโลยี 1 ผลลัพธ์นี้สอดคล้องกับการเปลี่ยนเฟส2πของแผ่นเฟสเกลียว (หมายเหตุ: การเปลี่ยนเฟส2πหมายความว่าคลื่นหนึ่งเสร็จสิ้นรอบเต็มเมื่อเทียบกับอีกวงจร)

เนื่องจากความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในการกระจายความเข้มระหว่างลำแสงกระแสน้ำวนและโหมดเกาส์เซียนลำแสงของเลเซอร์ 258 นาโนเมตรจะต้องถูกขยายเพื่อให้สามารถครอบคลุมเลเซอร์ 1553 นาโนเมตรเพื่อให้มั่นใจว่าการถ่ายโอนโมเมนตัมเชิงมุมโคจรที่ดีขึ้นในเครื่องกำเนิดผลรวม

อย่างไรก็ตามความหนาแน่นของพลังงานที่อ่อนแอกว่าของเลเซอร์ 258 นาโนเมตรเมื่อเทียบกับการทดลองในโหมดเกาส์เต็มรูปแบบที่อธิบายไว้ข้างต้นลดประสิทธิภาพการแปลงของการสร้างความถี่ผลรวมอย่างมีนัยสำคัญจนถึงจุดที่นักวิจัยได้เลเซอร์เพียง 30 เมกะวอนต์

ตามกฎของการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรในกระบวนการไม่เชิงเส้นประจุทอพอโลยีของเลเซอร์ที่เกิดจากการสร้างความถี่ผลรวมเท่ากับผลรวมของค่าธรรมเนียมทอพอโลยีของเลเซอร์ปั๊ม

ดังนั้นค่าทอพอโลยีของเลเซอร์ 1553 nm คือ 1 ค่าธรรมเนียมโทโพโลยีของเลเซอร์ 258 นาโนเมตรคือ 0 เพราะอยู่ในโหมดเกาส์เซียนและค่าทอพอโลยีของเลเซอร์ 221 นาโนเมตรคือ 1

ในช่วงเวลานี้รูปแบบการเลี้ยวเบนของลำแสงกระแสน้ำวน 193 นาโนเมตรจะถูกแบ่งออกเป็นจุดสว่างสามจุดโดยมีช่องว่างสีเข้มสองช่องในขณะที่การกระจายความเข้มยังคงเป็นวงกลม

เมื่อเทียบกับลำแสงกระแสน้ำวนพื้นฐานที่ 1553 นาโนเมตรโปรไฟล์ลำแสงกระแสน้ำวนของเลเซอร์ 221 นาโนเมตรและเลเซอร์ 193 นาโนเมตรจะบิดเบือนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ในระหว่างกระบวนการสร้างความถี่ผลรวมเนื่องจากเฟสที่ไม่ตรงกันและการเดินออกของผลึกแบบไม่เชิงเส้น

ในเวลาเดียวกันโครงสร้างน้ำตกจะเพิ่มความซับซ้อนของการแปลงโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรและอาจนำไปสู่การย่อยสลายของโหมด (การย่อยสลายของโหมดเป็นปรากฏการณ์ที่คุณสมบัติของโหมดเฉพาะที่มีอยู่เดิมในท่อนำคลื่นแสงจะเสื่อมสภาพหรือเบี่ยงเบนจากสถานะอุดมคติ)

นักวิจัยเชื่อว่าอาจเป็นไปได้ที่จะปรับปรุงคุณภาพของโหมดที่มีโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรโดยใช้ผลึกที่สั้นกว่าหรือโดยใช้กระบวนการสร้างความถี่ผลรวมแยกต่างหาก

เมื่อพิจารณาว่าเลเซอร์ 1553 นาโนเมตรถูกสูบและขยายโดยเลเซอร์ 1 0 30 นาโนเมตรประสิทธิภาพการแปลงโดยรวมจากเลเซอร์ 1,030 นาโนเมตรไปยังเลเซอร์ 193 นาโนเมตรประมาณ 0.55% ดังนั้นแม้จะมีประสิทธิภาพการแปลงต่ำในปัจจุบันโดยการเพิ่มกำลังปั๊มของ 1,030 นาโนเมตรพลังของเลเซอร์ 193 นาโนเมตรคาดว่าจะเกินกว่าหลายร้อยมิลลิวัตต์และอาจเป็นไปตามลำดับของวัตต์

นอกจากนี้การใช้ผลึกไม่เชิงเส้นที่มีค่าสัมประสิทธิ์ไม่เชิงเส้นสูงกว่าจะช่วยปรับปรุงความเป็นไปได้ในการบรรลุเป้าหมายนี้อย่างมีนัยสำคัญ

ในเวลาเดียวกันโดยการใส่แผ่นเฟสเฮลลิกโหมดเกาส์เซียนสามารถแปลงเป็นโหมด Laguerre-Gaussian ทำให้สามารถสร้างลำแสงกระแสน้ำวน 1553 นาโนเมตรที่มีโมเมนตัมเชิงมุม

โดยการเปลี่ยนการเปลี่ยนเฟสของแผ่นเฟสเฮลลิกลำดับของค่าทอพอโลยีสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างง่ายดาย การศึกษาก่อนหน้านี้ได้รายงานว่าคานที่มีโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรสามารถขยายได้ในเส้นใยผลึกเดี่ยวและพลาสม่าไนโตรเจนซึ่งบ่งบอกว่าลำแสงกระแสน้ำวน 193 นาโนเมตรสามารถขยายได้ในเลเซอร์ excimer

จากนี้นักวิจัยคาดการณ์ว่าสามารถใช้เลเซอร์ 193 นาโนเมตรในแอพพลิเคชั่นใหม่ที่หลากหลายโดยใช้กำลังไฟสูงและลักษณะลำแสงกระแสน้ำวนที่ไม่เหมือนใคร