206 nm全固态deep-ultraviolet激光峰值功率的291兆瓦gydF4y2Ba

1介绍gydF4y2Ba

大功率deep-ultraviolet (DUV)激光已广泛应用于材料加工和科学研究,如晶圆表面缺陷在线检测,激光钻孔和宽禁带材料的激光加工(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。在过去的几十年中,准分子激光大功率DUV代主力的解决方案(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba]。然而,他们的重复率和脉冲持续时间仅限于几赫兹和纳秒。此外,光束质量差和稳定性,以及复杂的和有毒的维护过程,做准分子激光在很多应用中一个不合适的选择。一个全固态激光器,使用频率转换从一个红外泵激光器DUV地区是一个替代的解决方案(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]。近年来,显著的性能改进平均功率、峰值功率,和转换效率的全固态超速DUV激光源已报告(gydF4y2Ba9gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]。全固态DUV激光器工作在许多重要的科学和工业应用,如超快光谱(gydF4y2Ba12gydF4y2Ba),播种自由电子激光器(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba),冷消融微加工(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba],Z-pinch和laser-produced等离子体诊断[gydF4y2Ba15gydF4y2Ba),和软x射线生成通过高谐波发生在用电离等离子体gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。朱等人开发了一个1.37 - w DUV在213 nm激光通过频率和一代的532和355海里梁基于“2 + 3”计划(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba]。高效fifth-harmonic代在211纳米是通过冷却磷酸二氢铵(ADP)晶体在两院的低温恒温器200 K (gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]。DUV激光的峰值功率的大多数先前的发展是一个温和的水平有限,坐在下面几兆瓦。快速的进步Yb:掺钕钇铝石榴石激光技术提供一个更强大的泵源和进一步提高DUV激光峰值功率的上限。然而,全固态DUV激光的峰值功率扩大不是微不足道的。一大群相速度不匹配Yb:掺钕钇铝石榴石激光器和DUV激光使离开长度极短。它限制了有效作用长度有效频率转换。高DUV光子能量与谐波进行线性和非线性吸收迅速增加订单。DUV脉冲峰值功率高也引发强烈的非线性效应,如双光子吸收(TPA)和相位调制(SPM)效应,导致高功率损失或破坏的相位匹配条件。Kerr-lens效应也很常见在高功率水平。有可能产生丝状形成晶体和其他元素的光学路径,这限制了能量转换效率。 To date, the maximum peak power at 206 nm has been reported in the literature and is 12.5 MW [11gydF4y2Ba]。在本文中,我们报告一个206 nm, 10-kHz, sub-picosecond全固态激光DUV交付180μj - 582 fs脉冲峰值功率291兆瓦,这是一个秩序高于之前的最先进的记录。DUV激光生成到五(4 + 1)谐波生成从1.2 ps, 1030 nm Yb:掺钕钇铝石榴石激光器相同的重复率和平均功率为197 W。我们选择β-BaBgydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba(偏硼酸钡)晶体fourth-harmonic和最终和频率代紫外线地区。高非线性系数的偏硼酸钡可以让我们减少晶体厚度以避免紫外线辐射的时间离开和不受欢迎的非线性吸收,即显性效应在高的峰值功率DUV激光实验。gydF4y2Ba

2实验设置gydF4y2Ba

图1gydF4y2Ba显示一个原理图的实验装置。我们的实验设置从一个商业高功率Yb:掺钕钇铝石榴石1030 nm chirped-pulse放大(CPA)激光系统从InnoSlab放大技术(两性300)。泵激光器能够产生1030 nm, 1.2 ps, 20-mJ脉冲10 kHz的最大平均功率220 W (gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。1030 nm泵光束平行。半波板(HWP)和薄膜偏振器(TFP)用于精确控制注射泵激光功率系统的以下阶段。一副眼镜是用来调整泵束大小约9毫米1 / egydF4y2Ba^2gydF4y2Ba直径。锂triborate(杠杆收购)是选择第一二次谐波产生(2 hg)由于其商业中最大的损伤阈值非线性晶体(gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]。杠杆收购的尺寸20毫米×20毫米×5毫米,削减在θ= 90gydF4y2Ba^⸰gydF4y2Ba和φ= 0gydF4y2Ba^◦gydF4y2Ba,非关键相位匹配温度为1030 nm和515 nm 190°C。防反射(AR)涂料应用1030 nm和515 nm)在杠杆收购的入口和出口的表面。我们使用电子烤箱温度保持恒定的杠杆收购。然而,漂移是轻微的相位匹配条件在实验中观察到,当泵浦功率增加从零到最大值。可以归因于加热器的加热效率有限,它只能连接到边缘的杠杆收购的晶体。相对较大的截面大小的晶体使其中心温度略低于其边缘温度。当泵激光功率的增加,晶体加热和平均温度的变化及其分布在杠杆收购水晶导致修改的相位匹配条件。我们山杠杆收购和烤箱旋转舞台,精确调整方向的漂移补偿相位匹配条件,同时加大泵激光功率。最后烤箱温度目标设置为199°C。杠杆收购的后面,二向色镜用于去除剩余1030 nm泵。 For fourth-harmonic generation (4HG), a 515-nm beam is injected into a β-BaB_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba水晶(BBO1)的维数20毫米×20毫米×。4毫米和削减θ= 50gydF4y2Ba^◦gydF4y2Ba和φ= 0gydF4y2Ba^◦gydF4y2Bai型二次谐波产生的相位匹配258海里。偏硼酸钡是选择4 hg由于其高非线性系数、低群速度色散、高的光学质量,和防潮性(gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]。在我们的早期作品中,BBO1晶体厚度仅限于。4毫米导致最大能源对话效率和双光子吸收等饱和由于非线性效应(TPA)和相位调制(SPM)效应(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。BBO1为515 nm和258 nm AR涂料在入口和出口表面,分别。生成的258 nm激光反射通过使用紫外线色镜(UDM1)删除未用尽的515 nm激光。258 nm激光与剩余1030海里权力重组在第二个紫外线色镜(UDM2)和第二个β-BaB注入gydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba水晶(BBO2)和频率的一代。BBO2尺寸仅为20毫米×20毫米×2毫米,削减在θ= 54.2gydF4y2Ba^◦gydF4y2Ba和φ= 0gydF4y2Ba^◦gydF4y2Bai型和频率代1030 nm和258 nm。一个半延迟线waveplate在1030 nm (HWP3)用于补偿时间走下舞台和角信号和泵之间离开梁可能积累在早期阶段。另一个半波板(HWP2)和薄膜偏振器(TFP2)是用来控制的力量参与最终的总和1030 nm激光频率的一代。BBO2 5 hg的表面都是裸露的,以避免造成的损害deep-ultraviolet光子。生成的激光束是在空间上分开使用CaFgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba等边色散棱镜(Thorlabs)鉴定。gydF4y2Ba

3实验结果与讨论gydF4y2Ba

在整个论文中,能量转换效率被定义为输出能量的比值高谐波或频率,2ω4ω,和5ω水晶后输入能源泵或相应的低阶谐振波长,1ω2ω,4ω之前相同的晶体。杠杆收购的水晶是托管在一个电子烤箱和提前升温缓慢。一旦烤箱温度稳定在199°C, 1030 nm泵激光注入二次谐波产生的杠杆收购的水晶。为了避免晶体损伤,1030 nm泵激光功率增加缓慢的10%。1 / egydF4y2Ba^2gydF4y2Ba维护泵激光的光束直径11.5毫米(长轴),最大功率和激光强度的197 W和31.6瓦/厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba,分别。泵激光重复频率10 kHz。gydF4y2Ba图2 a, BgydF4y2Ba显示515 nm的力量和能量转换效率。我们注意到,由于整个晶体温度变化,有一个单向的漂移的相位匹配条件与泵激光功率的增加。因此,泵需要略微调整激光入射角在每个功率优化2 hg效率。gydF4y2Ba图2 cgydF4y2Ba显示了杠杆收购的水晶入口的温度曲线记录的表面使用热感摄像机(FLIR T620)。我们的杠杆收购的晶体有一个相对大的15毫米×15毫米横向维度较其5毫米厚度。烤箱加热和热传感器只能被附加到侧面表面的晶体。传播路径中的热损失从边缘到中心外侧的水晶不容忽视。没有泵激光,我们找到了杠杆收购的晶体表面温度gydF4y2Ba $\mathrm{152年gydF4y2Ba}\sim gydF4y2Ba\mathrm{169年gydF4y2Ba}℃gydF4y2Ba$ 的梯度gydF4y2Ba $∆gydF4y2Ba\mathrm{TgydF4y2Ba}=gydF4y2Ba{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{egydF4y2Ba}\mathrm{dgydF4y2Ba}\mathrm{ggydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}}-gydF4y2Ba{\mathrm{TgydF4y2Ba}}_{\mathrm{cgydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}\mathrm{ngydF4y2Ba}\mathrm{tgydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}\mathrm{rgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{17gydF4y2Ba}℃gydF4y2Ba$ 。我们预计,泵激光吸收会减少热梯度gydF4y2Ba $∆gydF4y2Ba\mathrm{TgydF4y2Ba}$ 平表面温度剖面。然而,当泵1030 nm激光功率上升从0到197 W,杠杆收购的温度平均增加gydF4y2Ba $\mathrm{7.5gydF4y2Ba}℃gydF4y2Ba$ 相当同质的入口在整个表面gydF4y2Ba $\mathrm{159年gydF4y2Ba}\sim gydF4y2Ba\mathrm{177年gydF4y2Ba}℃gydF4y2Ba$ 。有非常小的变化温度曲线的形状。在完整的泵浦功率,温度梯度gydF4y2Ba $∆gydF4y2Ba\mathrm{TgydF4y2Ba}=gydF4y2Ba\mathrm{18gydF4y2Ba}℃gydF4y2Ba$ ,这是比没有泵激光器。它可以解释为注意的热量和2 hg代泵激光强度成正比,其广场,分别。因此,泵浦光的中心,它具有较高的强度,更高效的2 hg的线性吸收和抑制热量生成泵激光。显然,烘箱加热,而不是泵激光吸收,主导不仅均值,而且空间温度的杠杆收购。我们计算的最佳相位匹配角度使用SNLO,发现整体温度变化导致gydF4y2Ba $∆gydF4y2Ba\mathrm{\phi gydF4y2Ba}=gydF4y2Ba\mathrm{0.8gydF4y2Ba}°gydF4y2Ba$ 匹配与观察到的gydF4y2Ba $\mathrm{1gydF4y2Ba}°gydF4y2Ba$ 在实验最优的角度变化。在515纳米的最大输出功率是92 W时,泵激光功率上升到197 W。gydF4y2Ba图2一个gydF4y2Ba插图显示了梁的杠杆收购后的515 nm激光晶体。绿色激光略有发散与长轴1 / egydF4y2Ba^2gydF4y2Ba光束直径8.5毫米和峰值强度的35.6吉瓦/厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba。相比之下,在[结果报告gydF4y2Ba10gydF4y2Ba),泵激光功率的下降不仅减少了2 hg光束直径和强度也抑制了自聚焦效应和改变绿色激光束的发散。饱和的能量转换效率时观察到的1030 nm泵功率接近117 W,匹配与类似的观察在110 W报道(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。这些结果证明的可靠和可重复的建设纵向温度梯度(LTG)在杠杆收购的晶体,这被认为是能量转换效率降低的主要原因在以前的工作gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

我们选择β-BaBgydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba(偏硼酸钡)晶体4 hg和5汞由于其高非线性系数(2.6∼点/ V) [gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]。它允许我们使用较短的晶体长度最小化干扰重吸收的紫外线辐射通过双光子吸收等非线性效应(TPA)或相位调制(SPM)效应,这是占主导地位的影响在我们的实验观察。gydF4y2Ba图3 a, BgydF4y2Ba显示力量和能量转换效率在258海里gydF4y2Ba与gydF4y2Ba输入在515 nm激光功率。弱饱和的转换效率时观察到的515 nm权力超出71 W,对应于一个强度2.75瓦/厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba。BBO1。4毫米的厚度,这是非常薄的LTG建设也短于1毫米的走下舞台长度在515 nm和258 nm之间。观察到的饱和度只能归因于TPA的258纳米晶体。gydF4y2Ba图3一gydF4y2Ba插图照片显示258海里有一个椭圆的输出激光光束剖面与长轴1 / egydF4y2Ba^2gydF4y2Ba光束直径6.6毫米。最大平均功率在258 nm获得实验14.2 W,对应于一个能源强度为12.5瓦/厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba图3 cgydF4y2Ba显示了258 nm光束的光谱测量,具有应用带宽1.08海里。有限的权力和更多的发散光束剖面在515 nm导致整体4 hg效率低于我们的早期实验(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。然而,使用不同的光束可以帮助避免损坏其他视觉元素在随后5 hg光路。它有助于避免自聚焦效应和第二代丝状形成光学CaF等元素gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba棱镜在功率计特别好。gydF4y2Ba

最后,生成的258 nm梁结合剩余1030 nm梁在BBO2 5 hg 206 nm和频率的一代。确定最优偏硼酸钡晶体厚度,我们测试三个偏硼酸钡晶体。1毫米的厚度,2毫米,。4毫米,光阑20毫米×20毫米的实验。gydF4y2Ba图4一gydF4y2Ba显示了平均功率的依赖在206纳米晶体厚度在不同泵1030 nm激光功率水平。1030 nm和206 nm之间的走下舞台长度约3毫米。因此,偏硼酸钡晶体。1毫米厚度不能诱发显著的时间走下舞台,TPA在258 nm和206 nm。输出206 nm功率与1030 nm monochromatically增加泵浦功率没有观察一个强大的饱和现象。然而,能量转换效率非常有限,最大输出功率在206纳米。8 W。对于偏硼酸钡晶体。2毫米,观察到更高的能量转换效率,特别是在低或中度1030海里泵功率水平。最大输出功率为206 nm为1.8 W,略高于两倍的获得与.1-mm厚晶体。弱饱和效应出现在泵浦功率在1030 nm超出117 W,对应于61.6在515 nm和10.3 W W 258海里(∼9.05瓦/厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba在BBO2)。我们相信这是一个放大LTG-induced杠杆收购的增益饱和的早期阶段,如图所示gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba。TPA的258海里gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba也观察到1030 nm略高的泵浦功率137 W,对应于71年在515 nm和12.2 W W 258海里(∼10.7瓦/厘米吗gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba在BBO2)。当偏硼酸钡晶体厚度增加。4毫米,长度超出了走下舞台,1030 nm和206 nm之间重要的能源转换效率降低观察泵激光功率的几个阶段。首先,当1030 nm泵功率低于78 W,产生的力量从.4-mm 206纳米厚偏硼酸钡小于20%的从.2-mm厚偏硼酸钡。第二,当1030 nm的力量在区间78 W和117 W,更高的258 nm泵功率和频率代好处多于TPA或其他的非线性吸收。电力在206 nm .4-mm厚偏硼酸钡升至约50%,从.2-mm厚偏硼酸钡。第三,当泵浦功率在1030 nm超出117 W,对应于超过12 W(> 10吉瓦/厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba),应用功率在258 nm BBO2和输出206 nm的力量迅速下降到零。的线性吸收系数偏硼酸钡在206海里,258 nm和1030 nm .0866厘米gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba},.00836厘米gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba},.00004厘米gydF4y2Ba^{−1gydF4y2Ba}分别为(gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]。只有2毫米增加晶体厚度,是不可能产生功率损耗80%通过实验观察到作为泵激光用于我们和频率代高强度峰值的15.6吉瓦/厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba在1030 nm和12.5瓦/厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba在258纳米。它可能暗示存在很强的TPA甚至高阶非线性吸收条件在我们的实验。gydF4y2Ba图4 bgydF4y2Ba显示了206 nm功率变化对权力和1030 nm激光的偏振BBO2参与和频率的一代。实现它们旋转的两个一半waveplates HWP2和HWP3分开。偏振调整显示几乎影响频率和一代一样,透过权力调优在1030海里。这意味着非线性吸收,这取决于总功率,主要发生在258 nm和206 nm)但不是在BBO2 1030海里。然而,非线性吸收无法解释权力的变化在206 nm的泵浦功率。我们怀疑泵power-dependent引发的相消干涉相位调制机理也扮演重要的角色在我们的实验中。怀疑的可能的原因包括时空调制波前相位调制机制,累积脉冲啁啾,高泵引起的非线性折射率调制激光强度。识别背后的确切物理可以探索在未来,这是超出了本文的范围。gydF4y2Ba

显然,偏硼酸钡晶体厚度为2毫米的最佳选择和频率的一代。gydF4y2Ba图5 a, BgydF4y2Ba显示力量和能量转换效率在206海里gydF4y2Ba与gydF4y2Ba输入激光功率与.2-mm厚BBO2 258海里。gydF4y2Ba图5一个gydF4y2Ba插入的图片显示在206 nm激光概要文件。最大的泵浦功率在258 nm和1030 nm,参与频率代和14.2 W(12.5瓦/厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba)和97 W(15.6瓦/厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba),分别。输出在206 nm长轴1 / egydF4y2Ba^2gydF4y2Ba光束直径6.1毫米的最高功率为1.8 W。gydF4y2Ba图5 cgydF4y2Ba显示了206 nm光束的光谱测量,具有应用带宽1.09 nm和能够支持57.3 fs傅里叶变换(FTL)脉冲持续时间有限。206 nm脉冲持续时间估计∼582 fs和频率公式gydF4y2Ba $\mathrm{\tau gydF4y2Ba}=gydF4y2Ba{\mathrm{\tau gydF4y2Ba}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}}{\mathrm{\tau gydF4y2Ba}}_{\mathrm{2gydF4y2Ba}}/gydF4y2Ba\sqrt{{\mathrm{\tau gydF4y2Ba}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}}^{\mathrm{2gydF4y2Ba}}+gydF4y2Ba{\mathrm{\tau gydF4y2Ba}}_{\mathrm{2gydF4y2Ba}}^{\mathrm{2gydF4y2Ba}},gydF4y2Ba}$ 在哪里gydF4y2Ba ${\mathrm{\tau gydF4y2Ba}}_{\mathrm{1gydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{1。2gydF4y2Ba}\mathrm{pgydF4y2Ba}\mathrm{年代gydF4y2Ba}$ 和gydF4y2Ba ${\mathrm{\tau gydF4y2Ba}}_{\mathrm{2gydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{665年gydF4y2Ba}\mathrm{fgydF4y2Ba}\mathrm{年代gydF4y2Ba}$ 1030脉冲持续时间和258 nm脉冲持续时间以我们之前文献[gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。基于脉冲持续时间计算,206 nm激光的峰值功率估计高达291兆瓦,这是最高峰值功率10-kHz率、全固态DUV源在206 nm 1-µm泵驱动激光在写作的时候。gydF4y2Ba

最后,操作稳定性调查在5 W和1 W平均功率输出在206 nm,如图所示gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba。在这两种情况下,数据记录大约10分钟后的注射泵在206 nm激光输出之后已经变得稳定。一些粒子捕获光学表面的预期。此外,没有表面退化和大部分偏硼酸钡晶体的光学降解试验后观察。gydF4y2Ba

4结论gydF4y2Ba

我们演示了206 nm DUV激光到五(4 + 1)谐波生成1030 nm, 1.2 ps, 10-kHz Yb: YAG固体激光器使用杠杆收购、偏硼酸钡、和偏硼酸钡2 hg, 4 hg,分别和5 hg晶体。我们获得1.8 - w、180 -μj 206 nm DUV激光脉冲持续时间的∼582 fs,这对应于一个峰值功率291兆瓦的电力,这是最高的峰值功率10-kHz,全固态DUV在206 nm激光源由Yb:掺钕钇铝石榴石激光器的写作。超薄偏硼酸钡晶体具有高非线性系数选择up-frequency代DUV地区。它放松限制的最大泵浦光强度和减轻了大部分的有害影响的强非线性响应引起的晶体在光学光路中的元素。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章;进一步询问可以针对相应的作者。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

QR和HL设计并建造的设置。QR测量数据。作者分析了所有数据,导致最后的手稿。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

这项工作是支持的机构科学、技术和研究(A * STAR) 2022职业发展基金(C222812005)。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或那些出版商编辑和评论员。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba