近日，中国科学院空天信息创新研究所和中国科学院大学的研究人员打造了一个紧凑的固态纳秒脉冲激光系统，可以在 6 kHz 在重复频率下产生 193 nm 未来有望在芯片光刻领域使用相关光。

具体而言，研究者自主研发出一种 Yb:YAG 晶体放大器，它产生的晶体放大器 1030 nm 激光器可分为两部分：一部分通过四次谐波产生 258 nm 另外一部分激光用于泵浦光参量放大器，可以产生 1553 nm 激光器。在级联晶体中混合这些光束的频率 193 nm 平均功率为激光 70 mW，线宽小于 880 MHz。

在频率混合之前通过 1553 nm 螺旋相位板引入光束，研究人员生成轨道角动量光束。

根据研究人员的说法，这是第一次从固态激光器中产生 193 nm 轨角动量光束演示。

这种光束可以刺激混合氟化氩(ArF，Argon Fluoride)在晶圆加工和缺陷检测中，准分子激光器具有很大的价值。

ArF 其波长为准分子激光的一种 193 nm，属于深紫外波段。半导体制造，ArF 激光器主要用于高分辨率光刻。

此外，据报道，该系统的工作带宽小于 880MHz的光谱纯度性能可以与今天的商业系统相媲美。同时，该系统约占一半。 1200mm x1800mm 为了满足工业应用的要求，光学平台的占地面积可以进一步减少。

据介绍，从 1030 nm 激光到 193 nm 激光器的转换过程与研究人员以前的工作十分相似。

具体而言，由 969 nm 的 100 W 多模型激光二极管(LD，laser diode)泵浦，基于2mmx2mmx30mm Yb:YAG 晶体的 1030 nm 能提供超过激光放大器的 14 W 的 1030 nm 脉冲激光，其重复频率为 6 kHz，脉冲持续时间为 13.1 ns。

值得注意的是，泵浦-是一个利用光线将电子从原子或分子中的较低能级提升到较高能级的过程。

在研究过程中，研究人员通过连续二次谐波产生和三硼酸锂晶体和六硼酸锂晶体四次谐波产生的过程， 1030 nm 激光生成 258 nm 激光。1030 nm 为了提供高功率，激光也可以作为两级光参量放大器的泵浦源， 1553 nm 脉冲激光。

与光纤放大器不同的是，研究人员利用基于光参放大器的激光源来生成 1553 nm 亚瓦级脉冲激光。

经过这次修改，系统变得更加紧凑，在同步和频率生成过程中不再需要电子控制器 1553 nm 和 258 nm 使用光学延迟线可以实现脉冲序列。(注意：和频产生，是一个非线性光学过程。)

由 1553 nm 和 258 nm 通过使用级联三硼酸锂晶体，激光泵浦的两级和频率生成过程可分别生成 221 nm 激光和 193 nm 激光。

对于 1553 nm 脉冲激光源包括两部分：一部分是由连续波动引起的。(CW，continuous-wave)激光二极管作为种子光源的单频分布式反馈，另一部分是基于周期性极化硅酸锂晶体的两级光参放大器。

激光二极管单频分布反馈工作 1553 nm，平均发射功率为 12 mW。研究中，1030 nm 引入泵浦激光和种子激光 1mmx1mmx40mmx 为了形成光参放大器的第一阶段，周期性极化锂酸锂晶体。

在此期间，放大后的信号激光从光参放大器的第一阶段和光参放大器的第二阶段输出中过滤出一种特殊的光学元件-二向色镜，期间伴有残余泵浦激光和 3μm 闲频激光。

随后，为了区分脉冲信号的重量和连续波种子激光，研究人员通过激光功率探测仪器来确定信号激光的功率。

光参放大器的泵浦阈值接近于泵浦激光的低占空比和种子激光的弱功率。 600 mW。(注意:占空比是指信号处于高电平的时间与整个脉冲周期时间在一个脉冲周期内的比例，通常用百分比来表示。)

平均功率约为 700 mW 在泵浦激光下，研究人员从光参放大器的第一阶段获得了超过脉冲能量的平均功率。 48 mW。

接着，在光参量放大器的第二阶段，放大的脉冲信号被进一步放大，通过使用另一个5mmx3mmx30mm 周期性极化鲟酸锂晶体，最大泵浦功率为 3W。

同时，研究人员将泵浦激光功率密度保持在光参量放大器的第二阶段。 30MW/cm²，为了避免周期性极化硅酸锂的光折变损伤。(注:光折变损伤是光折变材料在强光照射下产生的不良光学效应。)

通过这个，研究人员得到了它 1553 nm 的 700 mW 信号激光，相应的效率是 23.3%。

这种效率的提高表明，随着泵浦功率的增加，输出功率可以进一步提高。

研究人员发现，放大信号激光的中心波长与种子激光一致，但光谱会稍微变宽。

尽管参数荧光噪声可能随泵浦功率的增加而增加，但信噪比仍接近 50 dB。

为精确测量 1553 nm 在光参放大器过程中，激光的线宽演变，研究人员使用的分辨率约为 1 MHz、自由光谱的范围是 1.5 GHz 扫描干涉仪。

连续波激光的初始线宽分别来自光参放大器的第一阶段和光参放大器的第二阶段 180 MHz 展宽到 370 MHz 和 580 MHz。

由于光参放大器过程中的参数转换阈值，信号激光比泵浦激光有更陡峭的脉冲前沿，持续时间由泵浦激光决定 13.1ns 缩短至 9ns。

基于此，研究人员获得了基于光参放大器的放大器。 1553 nm 脉冲激光，平均功率为 700 mW，脉冲持续时间为 9 ns，并且可以用来生成 193 nm 激光泵浦源。

为进一步扩大 193 nm 研究人员首次通过实验演示了激光的应用， 1553 nm 旋转光束，在光参放大器后引入螺旋相位板，将旋转相位板 1553 nm 脉冲激光的基本高斯模式转换为拉盖尔-高斯，拉盖尔带有轨道角动量(LG，Laguerre–Gaussian)模式。

在此期间，直径为 25 mm 螺旋相位板安装在直径为直径的螺旋相位板上 25.4 mm 透镜适配器。

虽然螺旋相位板的两端没有涂有抗反射涂层，但其透射率大于 90%。

随后，轨道角的动量通过频率产生过程转移到轨道角 221 nm 激光和 193 nm 激光。

研究人员用热释电相机分别记录了涡旋光束的产生情况，以验证涡旋光束的产生。 1553 nm 激光、221 nm 激光和 193 nm 不同模式下激光的光束轮廓。

插入螺旋相位板前，1553 nm 激光、221 nm 激光和 193 nm 激光显示高斯模式的轮廓。(高斯模式的轮廓是指具有特定剖面特征的普通光束模式，其光强分布呈高斯函数的形状。)

15533插入螺旋相位板后 nm 在拉盖尔-高斯模式的表现下，激光模式被转换并显示出环形强度分布的趋势。(注:拉盖尔 - 高斯模式(Laguerre - Gaussianmode)这是一种重要的激光光束模式。)

在确定拓扑电荷时，研究人员发现拉盖尔-高斯模式的衍射图案，即所谓的厄米-高斯，只需引入圆柱形透镜即可获得(HG，Hermite–Gauss)模式。(注:在光学领域，厄米 - 高斯模式是一种重要的光束模式。)

为最大限度地减少 Gouy 1933年相移对厄米-高斯模式的影响 nm 最初由焦距引起的激光束 200 氟化钙透镜毫米聚焦。(注:Gouy 相移是一种特殊的相位变化，与光学领域的高斯光束传播有关。)

由于圆柱形透镜的焦距较短，因此放置在氟化钙透镜的焦点附近。

圆柱形透镜将环形光束转换为中间有间隙的两个亮点，这表明拓扑电荷是为了生成而生成的 1 涡旋光束，这个结果与螺旋相位板相比 2π相移一致。(注:2π相移意味着一波相对于另一波完成了一个完整的循环。)

由于涡旋光束与高斯模式之间的强度分布存在明显差异，因此 258 nm 为了能够覆盖，激光的光束必须被放大 1553 nm 确保在和频中产生激光 1 和和频产生二是实现更好的轨道角动量传递。

但是，与上述全高斯模式实验相比，258 nm 激光的功率密度较弱，这大大降低了和频产生的转换效率，因此研究人员只能获得它 30 mW 的 221 nm 激光和 3 mW 的 193 nm 激光。

根据非线性过程中的轨道角动量守恒定律，以及频率产生的激光拓扑电荷，相当于泵浦激光的拓扑电荷之和。

因此，1553 nm 激光拓扑电荷为 1，258 nm 因为激光是高斯模式，所以拓扑电荷是 0，221 nm 激光拓扑电荷为 1。

期间，193 nm 旋涡光束的衍射图案分为三个亮点，中间有两个暗间隙，强度分布仍然是环形的。

与 1553 nm 与基本涡旋光束相比，由于非线性晶体的相位失配和分离效应，在和频产生过程中 221 nm 激光和 193 nm 激光涡旋光束轮廓，不可避免地会发生畸变。

同时，级联结构会增加轨道角动量转换的复杂性，甚至可能导致模式退化。(模式退化是指光波导体中原有特定模式的特性变质或偏离理想状态的现象。)

研究人员认为，轨道角动量模式的质量可以通过使用较短的晶体或使用独立的和频生成过程来提高。

考虑到 1553 nm 激光由泵浦和放大1030nm激光，从 1030nm激光到 193 nm 激光的整体转换效率约为 0.55%。所以，尽管目前的转换效率较低，但通过增加泵浦功率1030nm，1930nm nm 预计激光器的功率将超过数百毫瓦，甚至可能达到瓦级。

另外，使用具有较高非线性系数的非线性晶体，可以显著提高实现这一目标的可行性。

同时，通过插入螺旋相位板，可以将高斯模式转换为拉盖尔-高斯模式，从而产生轨道角动量 1553 nm 涡旋光束。

拓扑电荷的阶数很容易通过改变螺旋相位板的相位移来改变。此前有研究报告称，单晶光纤和氮气等离子体可以放大带有轨道角动量的光束，这表明 193 nm 在准分子激光器中，涡旋光束也可以放大。

基于此，研究人员预计1933年将利用其高功率输出和独特的涡旋光束特性 nm 在各种新的应用中都可以使用激光。