С.П. САДОВСКИЙ1, П.А. ЧИЖОВ1, В.В. БУКИН1, В.М

Реклама
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
2014
ТРУДЫ ИНСТИТУТА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ им. А.М. ПРОХОРОВА
Том 70
УДК 535-31, 535-1/-3
С.П. САДОВСКИЙ1, П.А. ЧИЖОВ1, В.В. БУКИН1,
В.М. БРЕНДЕЛЬ1, Т.В. ДОЛМАТОВ1, Ю.Н. ПОЛИВАНОВ1,
С.Н. ОРЛОВ1, С.В. ГАРНОВ1,2, С.К. ВАРТАПЕТОВ1
ПИКОСЕКУНДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА
С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ 193 нм
НА ОСНОВЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО Nd:YAG-ЛАЗЕРА,
ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА И ArF-УСИЛИТЕЛЯ
Ключевые слова: мощные пикосекундные УФ-импульсы, эксимерная среда.
Keywords: high-power picosecond UV-pulses, excimer gain medium.
1. Введение
Пикосекундные источники света ультрафиолетового диапазона с высокой
мощностью излучения представляют значительный интерес во многих приложениях, таких как абляция различных материалов [1] и исследования нелинейных атомных эффектов [2], в качестве источника для изучения физики поверхности [3]. Такое излучение используется для генерации мощного
направленного электромагнитного импульса субмиллиметрового диапазона в
сверхсветовых генераторах на базе ультрафиолетовых (УФ) фотокатодов [4].
Применение твердотельного лазера коротких импульсов в качестве задающего генератора для усиления в среде ArF позволяет получить мощный УФимпульс c длиной волны излучения 193 нм. Основной проблемой таких систем является отсутствие эффективных средств получения излучения задающего генератора на длине волны усилителя. Так, например, в работах [5,6] в
качестве источника излучения 193 нм использовались схемы генерации суммарной частоты: четвертая гармоника 266 нм (263 нм) Nd:YAG (Nd:YLF)лазеров и излучение лазера на красителях. В работе [7] излучение пятой гармоники Nd:YAG-лазера смешивалось с сигнальным излучением параметрического осциллятора на длине волны 2074 нм, который накачивался второй
1
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
© Коллектив авторов, 2014.
2
73
гармоникой Nd:YAG-лазера (532 нм). В работе [8] излучение на длине волны
193 нм получили как четвертую гармонику излучения титан-сапфирового лазера, настроенного на длину волны 773,6 нм.
Главной целью наших исследований было получение лазерного излучения
пикосекундной длительности с длиной волны 193 нм и энергией импульса несколько мДж на основе твердотельного Nd:YAG-лазера с ламповой накачкой
с последующим усилением в эксимерном ArF-усилителе.
Из возможных схем преобразования излучения пикосекундного Nd:YAGлазера с длиной волны генерации 1064 нм в область 193,4 нм нами была выбрана эффективная схема, описанная в работе [7]. В соответствии с выбранной схемой результирующее излучение на длине волны 193 нм было получено
путем смешения двух волн: четвертой гармоники излучения Nd:YAG-лазера
(266 нм) и излучения параметрического генератора света на длине волны
708 нм (1/266 + 1/708 = 1/193). Для получения параметрической генерации
света на длине волны 708 нм в качестве излучения накачки использовалось
излучение второй гармоники Nd:YAG-лазера (532 нм): 1/532 = 1/2134 + 1/708.
Для получения мощного лазерного УФ-излучения короткой длительности
данная схема обладает существенным преимуществом — возможна точная подстройка в линию усиления эксимерного усилителя. Наиболее подходящими и
практически доступными кристаллами для выбранного процесса параметрической генерации являются кристаллы BBO с преобразованием первого типа.
2. Экспериментальная установка
Для проведения эксперимента обеспечивалась работа Nd3+:YAG-лазера с
ламповой накачкой в режиме синхронизации мод на длине волны генерации
1064 нм. В качестве синхронизатора мод использовалась плёнка с красителем,
зажатая между клином и глухим зеркалом резонатора. Стабильность режима
синхронизации мод поддерживалась обратной связью с использованием ячейки Поккельса, помещенной в резонатор. В резонаторе формировалась гребёнка пикосекундных импульсов, расстояние между соседними импульсами
8,4 нс. Излучение выводилось из задающего генератора с помощью разгрузки
резонатора второй ячейкой Поккельса. Одиночный импульс усиливался двумя
последовательно расположенными усилителями. В результате был получен
лазерный импульс частотой повторения 2 Гц, энергией до 12 мДж, длиной
волны 1064 нм и вертикальной поляризацией излучения. Длительность импульса была измерена автокоррелятором и составила 35 пс.
Излучение основной гармоники преобразовывалось во вторую гармонику
532 нм (до 6 мДж), а затем в четвертую — 266 нм (до 2 мДж). Оба преобразования получены в кристаллах BBO первого типа синхронизма, поляризация
второй гармоники горизонтальная, четвертой — вертикальная.
Схема получения излучения на длине волны 193 нм показана на рис. 1. Для
разделения спектральных компонент использовались кварцевые призмы.
Первый каскад выбранной схемы представляет собой параметрический генератор бегущей волны (параметрическая сверхлюминесценция) на трех
последовательно расположенных кристаллах BBO с накачкой излучением
второй гармоники 532 нм Nd:YAG-лазера (без фокусировки). Сигнальное из74
Рис. 1. Схема преобразования излучения Nd:YAG-лазера в излучение с длиной волны
193 нм: ω1, ω2 и ω4 — частоты основного излучения, второй и четвертой гармоник соответственно; ωλs — сигнальное излучение параметрического генератора; BBO1,2 —
кристаллы второй и четвертой гармоник; BBO3–5 — кристаллы параметрического генератора; BBO6 — кристалл суммарной частоты; П1,2 — кварцевые призмы
лучение параметрического генератора настраивалось на длину волны 708 нм.
Кристаллы BBO 6×7 мм2 и длинной 15 мм были вырезаны под углом, близким
к углу коллинеарного фазового синхронизма θ = 21,2°. Использование трех
кристаллов в параметрическом генераторе позволяет частично компенсировать относительно большой пространственный снос (0,8 мм/15 мм), который
ограничивает эффективность преобразования и обеспечивает достаточное
усиление сигнальной волны. Пространственный снос луча накачки в первом
кристалле компенсируется во втором и третьем кристаллах, чтобы улучшить
эффективность преобразования. Перестройка частоты осуществляется наклоном кристаллов. В первом кристалле осуществлялась генерация сигнальной и
холостой волны, в последующих кристаллах они усиливались. При параметрической люминесценции наблюдается широкий спектр сигнального излучения. В проведённом эксперименте первый и второй кристалл BBO были отнесены друг от друга на расстояние 100 см, для того чтобы избежать уширения
спектра. На расстоянии 30 см между первым и вторым кристаллами значение
на половине высоты спектра увеличивалось в два раза. Во втором и третьем
кристаллах усиление происходило на тех частотных компонентах падающего
луча, которые накладывались на узкий луч накачки. В этом случае сигнальная
и холостая волна генерировалась в маленьком конусе в прямом направлении с
узкой спектральной шириной. В результате было получено излучение на длине волны 708 нм (с возможностью плавной перестройки от 670 до 830 нм) и
энергией до 1,5 мДж при накачке второй гармоникой с энергией 5 мДж (при
отсутствии в общей схеме кристалла четвертой гармоники). Ширина спектра
на половине высоты составила 3,6 нм.
Во втором каскаде создавалось требуемое излучение на длине волны
193,4 нм за счет генерации суммарной частоты при нелинейно-оптическом
смешении сигнальной волны параметрического генератора 708 нм с излучением четвертой гармоники 266 нм Nd:YAG-лазера. Используемый кристалл
75
Рис. 2. Спектры излучения на выходе из генератора суммарной частоты
BBO 5×7 мм2 длиной 5 мм, вырезанный под углом, близким к углу синхронизма θ = 75,8°, не был оптимальным: измеренный коэффициент пропускания
кристалла на длине волны 193 нм составлял 15% (коэффициент поглощения
3,8 см–1; например, в [9] коэффициент поглощения 1,39 см–1, а в [6] — 1,15 см–1).
Для совмещения по времени излучения четвертой гармоники с излучением
параметрического генератора в кристалле BBO реализована линия оптической
задержки. Для достижения максимальной энергии излучения суммарной частоты (193 нм) был подобран оптимум преобразования второй гармоники в
четвертую. Получена энергия 7 мкДж на длине волны 193 нм (преобразуется
0,06% основного излучения) при смешении излучений 708 и 266 нм с энергиями 0,7 и 0,9 мДж соответственно. В работе использовались измеритель
мощности Ophir 3A-P-QUAD и измеритель энергии Coherent J-10MB-LE.
Диаметры пучков 266 и 708 нм по половине высоты составляют 1,7 и 2,2 мм.
Спектр излучения измерялся волоконно-оптическим спектрометром Ocean
Optics USB2000+UV-VIS и представлен на рис. 2.
Для усиления импульсов излучения твердотельного задающего генератора
был выбран эксимерный ArF-усилитель, созданный на основе лазера CL 7000
(ООО «Оптосистемы»). Объем разрядного промежутка ~7×2×100 см3, ширина
полосы люминесценции среды Δλ ~ 1,5 нм. Зеркала резонатора лазера были
заменены на пластины из CaF2 и при этом развернуты на угол, достаточный
для подавления паразитной генерации на френелевских отражениях. Усиление импульсов задающего генератора за первый проход составляло более 100
(режим слабого сигнала, давление в смеси 2,6 атм, напряжение разряда 23 кВ,
длительность разряда 45 нс). В результате при использовании трехпроходной
схемы были получены импульсы с энергией до 10 мДж при диаметре пучка
10 мм. Следует отметить, что трехпроходная схема усиления вносила приемлемый (до 10% и менее) вклад суперлюминесценции в измеряемую выходную
энергию. Значение контраста по мощности не измерялось и требует уточнения, но оценивается на уровне 104.
Заключение
Таким образом, создана лазерная система с излучением пикосекундной
длительности на длине волны 193 нм, энергией в импульсе до 10 мДж, часто76
той повторения 2 Гц на основе задающего твердотельного Nd:YAG-лазера с
ламповой накачкой и последующим усилением в эксимерном ArF-усилителе.
Используемый подход может обеспечить бóльшие значения энергии излучения 193-нм задающего генератора при отборе кристаллов BBO по пропусканию в УФ-диапазоне.
ABSTRACT
Powerful picosecond UV pulses at a wavelength of 193 nm are produced using a
Nd:YAG laser radiating at a wavelength of 193 nm with subsequent nonlinear
transformations of the radiation and amplification in an excimer gain medium to an
energy of 10 mJ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Gunter D., Heinrich C.A. Comparison of the ablation behaviour of 266 nm Nd:YAG and
193 nm ArF excimer lasers for LA-ICP-MS analysis // Anal. At. Spectrom. 1999. Vol. 14.
P. 1369–1374.
2. Pummer H., Egger H., Luk T.S., Srinivasan T., Rhodes K. Vacuum-ultraviolet stimulated
emission from two-photon-excited molecular hydrogen // Phys. Rev. A. 1983. Vol. 28.
P. 795–801.
3. Haight R., Bokor J., Stark J.S., Storz R.H., Freeman R.R., Bucksbaum P.H. Picosecond
time-resolved photoemission study of the InP(110) surface // Phys. Rev. Lett. 1985.
Vol. 54. P. 1302–1305.
4. Лазарев Ю.Н., Петров П.В. Генерация мощного направленного электромагнитного импульса ультракороткой длительности // Письма в ЖЭТФ. 1994. Т. 60, № 9.
С. 625–628.
5. Mossavi K., Hofmann Th., Tittel F.K. Ultrahigh-brightness, femtosecond ArF excimer
laser system // Appl. Phys. Lett. 1993. Vol. 62. P. 1203–1205.
6. Tomov I.V., Anderson T., Rentzepis P.M. High repetition rate picosecond laser system at
193 nm // Appl. Phys. Lett. 1992. Vol. 61. P. 1157–1159.
7. Horn I., Gunther D., Guillong M. Evaluation and design of a solid-state 193 nm OPONd:YAG laser ablation system // Spectrochim. Acta B. 2003. Vol. 58. P. 1837–1846.
8. Kasamatsu T., Tsunekane M., Sekita H., Morishige Y., Kishida S. 1 pm spectrally narrowed ArF excimer laser injection locked by fourth harmonic seed source of 773.6 nm
Ti:sapphire laser // Appl. Phys. Lett. 1995. Vol. 67. P. 3396–3398.
9. Kouta H., Kuwano Y. Attaining 186-nm light generation in cooled β-BaB2O4 crystal //
Opt. Lett. 1999. Vol. 24, N 17. P. 1230–1232.
77
Скачать