Мы демонстрируем полностью твердотельный лазер глубокого ультрафиолета (DUV) на основе четырехкратного увеличения частоты твердотельного лазера Yb: YAG Innoslab с длиной волны 1 мкм, 1,2 пс и частотой повторения 10 кГц, с использованием LBO и BBO в качестве второго кристаллы генерации -гармоники и генерации четвертой гармоники соответственно. Лазер DUV выдает импульсы DUV мощностью 20 Вт, 2,0 мДж, 665 фс, 258 нм с общей эффективностью преобразования ~8,7% из 1 мкм в DUV. Соответствующая пиковая мощность импульсов DUV составляет до 3 ГВт, что, насколько нам известно, является самым высоким показателем среди зарегистрированных твердотельных источников DUV с частотой кГц, работающих на длине волны 1 мкм.

© 2020 Оптическое общество Америки в соответствии с условиями Соглашения об открытом доступе OSA.

1. Введение

Лазерные источники глубокого ультрафиолета (DUV) большой средней мощности с длиной волны менее 300 нм, с малой длительностью импульса и высокой пиковой мощностью привлекают большое внимание исследователей в связи с их приложениями, такими как микрообработка в режиме холодной абляции [1]. , затравочные лазеры на свободных электронах [2], системы оптического параметрического усиления накачки (OPA) и оптического параметрического усиления ЛЧМ-импульсов (OPCPA) [3], ионизация благородных газов и возбуждение когерентного мягкого рентгеновского излучения за счет генерации гармоник чрезвычайно высокого порядка ( ГВГ) [4]. В последние десятилетия, с быстрым развитием твердотельных и волоконных лазеров с высокой средней мощностью и высокой энергией с длиной волны 1 мкм, технологии с высокой средней мощностью, Сообщалось о высокоэнергетических полностью твердотельных лазерных источниках DUV с длительностью импульса от наносекунд (нс) до фемтосекунд (фс), основанных на учетверении частоты этих 1-мкм лазеров [5-19]. Об одном из наиболее совершенных источников ns DUV сообщили M. Nishioka et al. в 2003 г. [10], который доставлял импульсы DUV средней мощности 40 Вт на длине волны 266 нм, управляемые лазером Nd: YAG с частотой повторения 7 кГц. Это твердотельный DUV-лазер, о котором сообщается в настоящее время, с самой высокой средней мощностью. В пикосекундной (пс) области типичный высокоэнергетический DUV-лазер был продемонстрирован C.-L. Чанг и др. в 2015 г. [7] с энергией в импульсе 2,74 мДж и длительностью импульса 4,2 пс, управляемой пс, 1 кГц, Cryo-Yb: YAG лазером. Благодаря короткой длительности импульса и высокой энергии импульса этот лазер имеет самую высокую пиковую мощность 0,56 ГВт среди всех зарегистрированных лазеров с возбуждением 1 мкм и частотой кГц. полностью твердотельные DUV-лазеры. Годом позже было сообщено о другом ps DUV-лазере со средней мощностью 6 Вт и предполагаемой длительностью импульса 2 ps, работающем на частоте 100 кГц, с использованием тонкодискового лазера Yb: YAG с длиной волны 1030 нм в качестве источника накачки [13]. Сообщения об источниках DUV высокой средней мощности с длительностью импульса меньше пс или фс относительно редки. Недавний отчет — 4,6 Вт, 150 фс, 258 нм DUV-лазер с высокой частотой повторения 796 кГц, управляемый Yb-волоконным лазером [9]. Несмотря на то, что лазер имеет короткую длительность импульса, его пиковая мощность составляет всего около 38,5 МВт, что ограничивается относительно низкой энергией импульса. Основываясь на приведенных выше литературных источниках, пиковые мощности полностью твердотельных DUV-лазеров с частотой 1 мкм и частотой кГц колеблются в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен МВт либо из-за большой длительности импульса, либо из-за низкая энергия импульса. другой пс DUV-лазер со средней мощностью 6 Вт и предполагаемой длительностью импульса 2 пс, работающий на частоте 100 кГц, был описан с использованием тонкодискового лазера Yb: YAG с длиной волны 1030 нм в качестве источника накачки [13]. Сообщения об источниках DUV высокой средней мощности с длительностью импульса меньше пс или фс относительно редки. Недавний отчет — 4,6 Вт, 150 фс, 258 нм DUV-лазер с высокой частотой повторения 796 кГц, управляемый Yb-волоконным лазером [9]. Несмотря на то, что лазер имеет короткую длительность импульса, его пиковая мощность составляет всего около 38,5 МВт, что ограничивается относительно низкой энергией импульса. Основываясь на приведенных выше литературных источниках, пиковые мощности полностью твердотельных DUV-лазеров с частотой 1 мкм и частотой кГц колеблются в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен МВт либо из-за большой длительности импульса, либо из-за низкая энергия импульса. другой пс DUV-лазер со средней мощностью 6 Вт и предполагаемой длительностью импульса 2 пс, работающий на частоте 100 кГц, был описан с использованием тонкодискового лазера Yb: YAG с длиной волны 1030 нм в качестве источника накачки [13]. Сообщения об источниках DUV высокой средней мощности с длительностью импульса меньше пс или фс относительно редки. Недавний отчет — 4,6 Вт, 150 фс, 258 нм DUV-лазер с высокой частотой повторения 796 кГц, управляемый Yb-волоконным лазером [9]. Несмотря на то, что лазер имеет короткую длительность импульса, его пиковая мощность составляет всего около 38,5 МВт, что ограничивается относительно низкой энергией импульса. Основываясь на приведенных выше литературных источниках, пиковые мощности полностью твердотельных DUV-лазеров с частотой 1 мкм и частотой кГц колеблются в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен МВт либо из-за большой длительности импульса, либо из-за низкая энергия импульса.

Здесь мы сообщаем о полностью твердотельном DUV-лазере с частотой 1 мкм и частотой кГц с пиковой мощностью более 1 ГВт, одновременно сочетая характеристики высокой средней мощности, высокой энергии и короткой длительности импульса. Лазер DUV основан на учетверении частоты 1 мкм, 1,2 пс, 10 кГц, Yb: YAG лазера Innoslab. Кристаллы LBO и BBO используются для реализации генерации второй гармоники (SHG) и генерации четвертой гармоники (FHG) соответственно. Подаются импульсы DUV мощностью 20 Вт, 2,0 мДж, 665 фс, 258 нм с эффективностью преобразования ~8,7% от импульсов 1 мкм до 258 нм. Соответствующая пиковая мощность импульсов DUV составляет до 3 ГВт, что является самым высоким показателем среди известных полностью твердотельных DUV-лазеров с частотой кГц, работающих на длине волны 1 мкм.

ультрафиолетовый лазер  | зеленый лазер  | Ультрафиолетовые лазеры  | ультрафиолетовый лазер dpss  | наносекундный лазер  | УФ лазерный источник  | Твердотельные лазеры

2. Источник накачки и экспериментальные установки

Источником накачки, используемым в нашем эксперименте, является коммерческая система усиления чирпированных импульсов Yb:YAG (CPA), основанная на технологии усиления Innoslab (AMPHOS 300). Он выдает импульсы мощностью 270 Вт, 27 мДж, 1,2 пс, 10 кГц с центром на длине волны 1030,8 нм. Типичный спектр (разрешение 0,4 нм) от источника накачки показан на рис. 1 (а), который имеет полную ширину 2,2 нм на полувысоте (FWHM) с центром на 1030,8 нм. На рисунках 1(b)–1(d) показан временной профиль импульсов накачки, измеренный с помощью оптического стробирования с частотным разрешением ГВГ (SHG-FROG). Длительность импульса составляет 1,2 пс, что соответствует 1,7-кратной длительности импульса, ограниченного преобразованием (TL). На вставке рис. 1(а) показан профиль пучка лазера накачки со средней мощностью 270 Вт, который имеет эллиптическую форму с двумя распределенными боковыми лепестками, окружающими основной пучок (~10% энергии запасается в боковых лепестках). Основной луч имеет округлость 80%. Эти боковые лепестки связаны с остаточными модами высокого порядка, которые не полностью отфильтровываются пространственным фильтром (щелью луча) в усилителе.

рисунок: Рис. 1.

Рис. 1. (а) Типичные измеренные и восстановленные спектры. На вставке показан профиль пучка лазера накачки. (b) Восстановленная форма и фаза импульса. Измеренные (c) и извлеченные (d) трассы FROG.

Скачать полный размер | РРТ Слайд | PDF

На рис. 2 показана оптическая схема учетверения частоты, начиная с Yb: YAG лазера Innoslab с длиной волны 1 мкм. Коллимированный пучок накачки сначала проходит через блок настройки энергии, состоящий из полуволновой пластины и тонкопленочного поляризатора для управления энергией накачки на кристалле ГВГ. Принимая во внимание высокую пиковую мощность импульсов накачки, впоследствии используется телескоп для расширения исходного луча накачки до большего размера луча (11,5 мм при интенсивности 1/e2 вдоль длинной оси основного луча), чтобы избежать повреждения кристалла. . После телескопа используется LBO толщиной 5 мм с просветляющими (AR) покрытиями на 1030 нм и 515 нм с обеих сторон и апертурой 20×20 мм, который разрезается на