近日，來自中國科學院空天信息創新研究院和中國科學院大學的研究人員打造出一種緊湊型固態納秒脈沖激光系統，該系統能在 6 kHz 的重復頻率下生成 193 nm 的相干光，未來有望用于芯片光刻領域。

（來源：Advanced Photonics Nexus）

具體來說，研究人員自主研發出一種 Yb:YAG 晶體放大器，其所產生的 1030 nm 激光會被分為兩部分：一部分通過四次諧波生成 258 nm 激光，另一部分用于泵浦光參量放大器，能夠產生 1553 nm 激光。這些光束在級聯晶體中的頻率混合產生了 193 nm 激光，平均功率為 70 mW，線寬小于 880 MHz。

通過在頻率混合之前向 1553 nm 光束引入螺旋相位板，研究人員生成了軌道角動量光束。

據研究人員所知，這是首次從固態激光器中生成 193 nm 軌道角動量光束的演示。

這樣的光束對于激發混合氟化氬（ArF，Argon Fluoride）準分子激光器很有價值，并在晶圓加工和缺陷檢測中具有潛在應用。

ArF 是一種準分子激光，其波長為 193 nm，屬于深紫外波段。在半導體制造中，ArF 激光主要用于高分辨率光刻。

另據悉，本次系統的工作帶寬小于 880MHz，其光譜純度性能可與當今商用系統相媲美。與此同時，本次系統大約占據 1200mm x1800mm 的光學平臺，其占地面積還能被進一步減小以便滿足工業應用的要求。

據介紹，從 1030 nm 激光到 193 nm 激光的轉換過程與研究人員之前的工作非常相似。

具體來說，由 969 nm 的 100 W 多模激光二極管（LD，laser diode）泵浦的、基于 2mmx2mmx30mm Yb:YAG 晶體的 1030 nm 激光放大器，能夠提供超過 14 W 的 1030 nm 脈沖激光，其重復頻率為 6 kHz，脈沖持續時間為 13.1 ns。

需要說明的是，泵浦——是一種使用光將電子從原子或分子中的較低能級升高到較高能級的過程。

研究中，研究人員分別通過在三硼酸鋰晶體和六硼酸銫鋰中的連續二次諧波產生和四次諧波生成過程，讓 1030 nm 激光生成 258 nm 激光。1030 nm 激光還能用作兩級光參量放大器的泵浦源，以便提供高功率的 1553 nm 脈沖激光。

與光纖放大器不同的是，研究人員使用基于光參量放大器的激光源來生成 1553 nm 的亞瓦級脈沖激光。

經過這一修改，系統變得更加緊湊，并且不再需要電子控制器來同步和頻產生中的 1553 nm 和 258 nm 脈沖序列，而是可以使用光學延遲線來實現。（注：和頻產生，是一種非線性光學過程。）

由 1553 nm 和 258 nm 激光泵浦的兩級和頻產生過程，通過使用級聯三硼酸鋰晶體，可以分別生成 221 nm 激光和 193 nm 激光。

對于 1553 nm 脈沖激光源來說，它包含兩部分：一部分是由連續波（CW，continuous-wave）單頻分布式反饋激光二極管充當種子光源，另一部分是基于周期性極化鈮酸鋰晶體的兩級光參量放大器。

（來源：Advanced Photonics Nexus）

單頻分布式反饋激光二極管工作于 1553 nm，發射平均功率為 12 mW。研究中，1030 nm 泵浦激光與種子激光一起被引入 1mmx1mmx40mm 的周期性極化鈮酸鋰晶體，以便形成光參量放大器的第一階段。

期間，放大之后的信號激光通過一種特殊的光學元件——二向色鏡，來從光參量放大器的第一階段和光參量放大器的第二階段的輸出中濾出，期間伴隨著殘余泵浦激光和 3μm 的閑頻激光。

隨后，研究人員通過激光功率探測儀器，來確定信號激光的功率，以便區分脈沖信號分量與連續波種子激光。

由于泵浦激光的低占空比和種子激光的弱功率，光參量放大器的泵浦閾值接近 600 mW。（注：占空比是指在一個脈沖周期內，信號處于高電平的時間與整個脈沖周期時間的比值，通常用百分比來表示。）

在平均功率約為 700 mW 的泵浦激光下，研究人員從光參量放大器的第一階段獲得了超過脈沖能量，對應的平均功率為 48 mW。

然后，放大的脈沖信號在光參量放大器的第二階段中被加以進一步放大，通過使用另一個 5mmx3mmx30mm 的周期性極化鈮酸鋰晶體，所得到的最大泵浦功率為 3 W。

與此同時，研究人員將光參量放大器第二階段中的泵浦激光功率密度保持在接近 30MW/cm2，以避免周期性極化鈮酸鋰的光折變損傷。（注：光折變損傷是光折變材料在受到強光照射時所產生的一種不良光學效應。）

圖 | 光參量放大器第二階段中信號激光的平均功率與泵浦功率的關系（來源：Advanced Photonics Nexus）

通過此，研究人員獲得了 1553 nm 的 700 mW 信號激光，對應的效率為 23.3%。

這一效率的提高表明，隨著泵浦功率的增加，輸出功率能夠得到進一步提高。

（來源：Advanced Photonics Nexus）

研究人員發現，放大信號激光的中心波長與種子激光一致，但是光譜會略微地變寬。

盡管隨著泵浦功率的增加，參量熒光噪聲可能會增加，但是信噪比仍然接近 50 dB。

為了準確測量 1553 nm 激光在光參量放大器過程中的線寬演變，研究人員使用了分辨率約為 1 MHz、自由光譜范圍為 1.5 GHz 的掃描干涉儀。

（來源：Advanced Photonics Nexus）

在光參量放大器的第一階段和光參量放大器的第二階段，連續波激光的初始線寬分別從 180 MHz 展寬到 370 MHz 和 580 MHz。

（來源：Advanced Photonics Nexus）

由于光參量放大器過程的參量轉換閾值，信號激光比泵浦激光有著更陡的脈沖前沿，持續時間由 13.1ns 縮短至 9ns。

基于此，研究人員獲得了基于光參量放大器的 1553 nm 脈沖激光，平均功率為 700 mW，脈沖持續時間為 9 ns，并能用于生成 193 nm 激光的泵浦源。

為了進一步擴展 193 nm 激光的應用，研究人員首次通過實驗演示了 1553 nm 渦旋光束，通過在光參量放大器后引入螺旋相位板，將 1553 nm 脈沖激光的基本高斯模式轉換為攜帶軌道角動量的拉蓋爾-高斯（LG，Laguerre–Gaussian）模式。

期間，直徑為 25 mm 的螺旋相位板被安裝在直徑為 25.4 mm 的透鏡適配器中。

盡管螺旋相位板兩端沒有涂抹抗反射涂層，但其透射率大于 90%。

隨后，所攜帶的軌道角動量通過和頻產生過程轉移至 221 nm 激光和 193 nm 激光。

（來源：Advanced Photonics Nexus）

為了驗證渦旋光束的生成，研究人員使用熱釋電相機分別記錄了 1553 nm 激光、221 nm 激光和 193 nm 激光在不同模式下的光束輪廓。

（來源：Advanced Photonics Nexus）

在插入螺旋相位板之前，1553 nm 激光、221 nm 激光和 193 nm 激光都表現出高斯模式輪廓。（高斯模式輪廓，指的是一種常見的光束模式，其光強分布呈現出高斯函數的形狀，具有特定的剖面特征。）

插入螺旋相位板之后，1553 nm 激光模式得到轉換，并表現出環形強度分布趨勢，而這正是拉蓋爾-高斯模式的表現。（注：拉蓋爾 - 高斯模式（Laguerre - Gaussian mode）是激光光束的一種重要模式。）

在確定其拓撲電荷的時候，研究人員發現只需引入一個圓柱透鏡，就能獲得拉蓋爾-高斯模式的衍射圖案，即所謂的厄米-高斯（HG，Hermite–Gauss）模式。（注：在光學領域，厄米 - 高斯模式是一種重要的光束模式。）

為了最大限度地減少 Gouy 相移對于厄米-高斯模式的影響，193 nm 激光束最初由焦距為 200 毫米的氟化鈣透鏡聚焦。（注：Gouy 相移，是一種在光學領域中與高斯光束傳播相關的特殊相位變化現象。）

由于圓柱透鏡的焦距較短，因此它被放置在氟化鈣透鏡的焦點附近。

圓柱透鏡將環形光束轉換為中間有間隙的兩個亮點，這表明生成了拓撲電荷為 1 的渦旋光束，這一結果與螺旋相位板的 2π 相移一致。（注：2π 相移意味著一個波相對于另一個波完成了一整圈的循環。）

由于渦旋光束與高斯模式之間的強度分布有著明顯差異，因此 258 nm 激光的光束必須被放大以便能夠覆蓋 1553 nm 激光，確保在和頻產生 1 和和頻產生 2 中實現更好的軌道角動量傳遞。

然而，與上述全高斯模式實驗相比，258 nm 激光的功率密度較弱，這大大降低了和頻產生的轉換效率，以至于研究人員僅獲得了 30 mW 的 221 nm 激光和 3 mW 的 193 nm 激光。

根據非線性過程中的軌道角動量守恒定律，和頻產生生成的激光的拓撲電荷，等于泵浦激光的拓撲電荷之和。

因此，1553 nm 激光的拓撲電荷為 1，258 nm 激光為高斯模式所以其拓撲電荷為 0，221 nm 激光的拓撲電荷為 1。

期間，193 nm 渦旋光束的衍射圖案被分成三個亮點，中間有兩個暗間隙，而強度分布仍然保持環形。

與 1553 nm 的基本渦旋光束相比，由于非線性晶體的相位失配和走離效應，在和頻產生過程中 221 nm 激光和 193 nm 激光的渦旋光束輪廓，不可避免地會發生畸變。

與此同時，級聯結構還會增加軌道角動量轉換的復雜性，甚至可能會導致模式退化。（模式退化，是指光波導中原本存在的特定模式的特性發生劣化或者偏離理想狀態的現象。）

研究人員認為，通過使用更短的晶體、或使用獨立的和頻產生過程，或許可以提高攜帶軌道角動量模式的質量。

考慮到 1553 nm 激光由 1030 nm 激光加以泵浦和放大，而從 1030 nm 激光到 193 nm 激光的整體轉換效率大約為 0.55%。因此，盡管目前的轉換效率較低，但是通過增加 1030 nm 的泵浦功率，193 nm 激光的功率預計將超過數百毫瓦甚至可能達到瓦級。

此外，使用具有更高非線性系數的非線性晶體，將能顯著提高實現這一目標的可行性。

與此同時，通過插入螺旋相位板，可以將高斯模式轉換為拉蓋爾-高斯模式，從而能夠生成攜帶軌道角動量的 1553 nm 渦旋光束。

通過改變螺旋相位板的相移，很容易就能改變拓撲電荷的階數。此前有研究報道，攜帶軌道角動量的光束可以在單晶光纖和氮氣等離子體中放大，這表明 193 nm 渦旋光束也可以在準分子激光器中放大。

基于此，研究人員預計利用其高功率輸出以及獨特的渦旋光束特性，193 nm 激光將能被用于各種新應用之中。

參考資料：

https://mp.weixin.qq.com/s/aq3FoFvAtKMBcR4fE_et_A

https://laser.ofweek.com/2024-01/ART-8300-2400-30621974.html

https://www.spiedigitallibrary.org/journals/advanced-photonics-nexus/volume-4/issue-02/026011/Compact-narrow-linewidth-solid-state-193-nm-pulsed-laser-source/10.1117/1.APN.4.2.026011.full?webSyncID=ee69dc16-be41-330d-39a7-e98330455ba7&sessionGUID=61ab207b-8664-8051-4dd7-b2c1411108a8