वैज्ञानिक कॉम्पैक्ट सॉलिड-स्टेट लेजर सिस्टम बनाते हैं जिसका उपयोग अर्धचालक लिथोग्राफी परिशुद्धता में सुधार करने के लिए किया जा सकता है

चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज (CAS) और यूनिवर्सिटी ऑफ चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज (UCAS) के अंतरिक्ष सूचना नवाचार के शोधकर्ताओं ने एक कॉम्पैक्ट ठोस-राज्य नैनोसेकंड पल्स्ड लेजर सिस्टम बनाया है, जो 6 kHz की पुनरावृत्ति आवृत्ति पर 193 एनएम सुसंगत प्रकाश उत्पन्न करता है, जो कि भविष्य में CHIP LITHOVERONATION के क्षेत्र में इस्तेमाल होने की उम्मीद है।

विशेष रूप से, शोधकर्ताओं ने एक YB: YAG क्रिस्टल एम्पलीफायर विकसित किया है जो 1030 एनएम लेजर उत्पन्न करता है जो दो भागों में विभाजित होता है: एक जो चौथे हार्मोनिक के माध्यम से 258 एनएम लेजर उत्पन्न करता है, और एक जो एक हल्के पैरामीट्रिक एम्पलीफायर को पंप करने के लिए उपयोग किया जाता है जो 1553 एनएम लेसर उत्पन्न करने में सक्षम है। कैस्केड क्रिस्टल में इन बीमों की आवृत्ति मिश्रण 70 मेगावाट की औसत शक्ति के साथ 193 एनएम लेजर और 880 मेगाहर्ट्ज से कम की लाइनविड्थ का उत्पादन करती है।

आवृत्ति मिश्रण से पहले 1553 एनएम बीम में एक पेचदार चरण प्लेट पेश करके, शोधकर्ताओं ने एक कक्षीय कोणीय गति बीम उत्पन्न किया।

शोधकर्ताओं के ज्ञान के लिए, यह एक ठोस-राज्य लेजर से 193 एनएम ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम बीम का पहला प्रदर्शन है।

इस तरह की बीम रोमांचक हाइब्रिड आर्गन फ्लोराइड (एआरएफ) एक्साइमर लेज़रों के लिए मूल्यवान है और वेफर प्रसंस्करण और दोष का पता लगाने में संभावित अनुप्रयोग हैं।

ARF 193 एनएम की तरंग दैर्ध्य के साथ एक एक्साइमर लेजर है, जो गहरे पराबैंगनी बैंड में है। अर्धचालक विनिर्माण में, ARF लेज़रों का उपयोग मुख्य रूप से उच्च-रिज़ॉल्यूशन लिथोग्राफी के लिए किया जाता है।

यह भी ध्यान दिया जाता है कि सिस्टम की ऑपरेटिंग बैंडविड्थ 880 मेगाहर्ट्ज से कम है, और इसका वर्णक्रमीय शुद्धता प्रदर्शन आज के वाणिज्यिक प्रणालियों के बराबर है। इसी समय, सिस्टम लगभग 1200 मिमी x 1800 मिमी के एक ऑप्टिकल प्लेटफॉर्म पर कब्जा कर लेता है, और औद्योगिक अनुप्रयोगों की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए इसके पदचिह्न को और कम किया जा सकता है।

1030 एनएम लेजर से 193 एनएम लेजर में रूपांतरण प्रक्रिया को शोधकर्ताओं द्वारा पिछले काम के समान होने के रूप में वर्णित किया गया है।

विशेष रूप से, 969 एनएम पर 100 डब्ल्यू मल्टीमोड लेजर डायोड (एलडी) द्वारा पंप किए गए 2MMX2MMX30 मिमी वाईबी के आधार पर 1030 एनएम लेजर एम्पलीफायर: YAG क्रिस्टल को 6 kHz की पुनरावृत्ति आवृत्ति के साथ 1030 एनएम स्पंदित लेजर लाइट के 14 से अधिक डब्ल्यू डिलीवर करने में सक्षम है।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि पंपिंग - एक ऐसी प्रक्रिया है जो एक परमाणु या अणु में इलेक्ट्रॉनों को कम से उच्च ऊर्जा स्तर तक बढ़ाने के लिए प्रकाश का उपयोग करती है।

अध्ययन में, शोधकर्ता क्रमशः 1030 एनएम लेजर से एक 1030 एनएम लेजर से एक 258 एनएम लेजर उत्पन्न करने में सक्षम थे, जो क्रमशः लिथियम ट्राइबरेटर क्रिस्टल और लिथियम सीज़ियम हेक्सैबोरेट में चौथी-हार्मोनिक पीढ़ी प्रक्रियाओं के माध्यम से थे। 1030 एनएम लेज़रों का उपयोग दो-चरण ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायरों के लिए एक पंपिंग स्रोत के रूप में भी किया जा सकता है ताकि एक उच्च-शक्ति वाले, स्पंदित 1553 एनएम लेजर वितरित किया जा सके।

फाइबर-ऑप्टिक एम्पलीफायर के विपरीत, शोधकर्ताओं ने 1553 एनएम सबवाट स्पंदित लेजर उत्पन्न करने के लिए एक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर के आधार पर एक लेजर स्रोत का उपयोग किया।

इस संशोधन के परिणामस्वरूप, सिस्टम अधिक कॉम्पैक्ट हो गया, और इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रकों को अब योग-आवृत्ति पीढ़ी में 1553 एनएम और 258 एनएम पल्स ट्रेनों को सिंक्रनाइज़ करने की आवश्यकता नहीं थी, जिसे एक ऑप्टिकल देरी लाइन का उपयोग करके पूरा किया जा सकता है। (नोट: हार्मोनिक पीढ़ी एक नॉनलाइनर ऑप्टिकल प्रक्रिया है।)

1553 एनएम और 258 एनएम लेज़रों द्वारा पंप की गई दो-चरण की राशि-आवृत्ति पीढ़ी प्रक्रिया, क्रमशः एक कैस्केड लिथियम ट्राइबरेटर क्रिस्टल के उपयोग के माध्यम से 221 एनएम लेजर और 193 एनएम लेजर उत्पन्न कर सकती है।

1553 एनएम स्पंदित लेजर स्रोत के लिए, इसमें दो भाग होते हैं: एक निरंतर-लहर (सीडब्ल्यू) एकल-आवृत्ति वितरित फीडबैक लेजर डायोड एक बीज स्रोत के रूप में अभिनय करता है, और समय-समय पर ध्रुवीकृत लिथियम नीबेट क्रिस्टल के आधार पर एक दो-चरणीय ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर।

एकल-आवृत्ति वितरित प्रतिक्रिया लेजर डायोड 1553 एनएम पर संचालित होता है और 12 मेगावाट की औसत शक्ति का उत्सर्जन करता है। अध्ययन में, एक 1030 एनएम पंप लेजर को 1 मिमीएक्स 1 मिमीएक्स 40 मिमी में समय -समय पर ध्रुवीकृत लिथियम नीबेट क्रिस्टल के साथ -साथ सीड लेजर के साथ पेश किया गया था, ताकि ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर के पहले चरण का निर्माण किया जा सके।

इस समय के दौरान, प्रवर्धित सिग्नल लेजर को ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर के पहले चरण के आउटपुट और एक विशेष ऑप्टिक, एक डाइक्रोइक मिरर के माध्यम से ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर के दूसरे चरण से बाहर फ़िल्टर किया गया था, जिसमें अवशिष्ट पंप लेजर और एक 3- μM आइडलर लेजर थे।

इसके बाद, शोधकर्ताओं ने निरंतर-लहर बीज लेजर से स्पंदित सिग्नल घटक को अलग करने के लिए सिग्नल लेजर की शक्ति का निर्धारण करने के लिए एक लेजर पावर जांच का उपयोग किया।

पंप लेजर के कम कर्तव्य चक्र और बीज लेजर की कमजोर शक्ति के कारण, ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर की पंपिंग दहलीज 600 मेगावाट के करीब थी। ।

लगभग 700 मेगावाट की औसत शक्ति पर एक पंप लेजर के साथ, शोधकर्ताओं ने 48 मेगावाट की औसत शक्ति के अनुरूप, ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर के पहले चरण से पल्स ऊर्जा से अधिक प्राप्त किया।

प्रवर्धित पल्स सिग्नल को तब ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर के दूसरे चरण में प्रवर्धित किया गया था, जहां 3 डब्ल्यू की अधिकतम पंप शक्ति को एक और 5MMX3MMX30 मिमी समय -समय पर ध्रुवीकृत लिथियम niobate क्रिस्टल का उपयोग करके प्राप्त किया गया था।

इसी समय, शोधकर्ताओं ने समय -समय पर ध्रुवीकृत लिथियम niobate से फोटोरफैक्टिव क्षति से बचने के लिए 30 मेगावाट/सेमी के करीब ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर के दूसरे चरण में पंप लेजर पावर घनत्व को रखा। (नोट: फोटोरफैक्टिव क्षति एक अवांछनीय ऑप्टिकल प्रभाव है जो तब होता है जब एक फोटोरफैक्टिव सामग्री उज्ज्वल प्रकाश के संपर्क में होती है।)

छवि|ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर बनाम पंप पावर के दूसरे चरण में सिग्नल लेजर की औसत शक्ति (स्रोत: उन्नत फोटोनिक्स नेक्सस)

इसके साथ, शोधकर्ताओं ने 1553 एनएम पर 700 मेगावाट सिग्नल लेजर प्राप्त किया, जो 23.3%की दक्षता के अनुरूप है।

दक्षता में यह वृद्धि बताती है कि पंप पावर बढ़ने के साथ आउटपुट पावर को और बेहतर बनाया जा सकता है।

छवि|ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर के पहले चरण से बीज स्रोत और सिग्नल लेजर का स्पेक्ट्रा और ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर के दूसरे चरण (क्रेडिट: उन्नत फोटोनिक्स नेक्सस)

शोधकर्ताओं ने पाया कि प्रवर्धित सिग्नल लेजर का केंद्र तरंग दैर्ध्य बीज लेजर के समान है, लेकिन स्पेक्ट्रम थोड़ा चौड़ा हो जाता है।

हालांकि पंप पावर बढ़ने के साथ पैरामीट्रिक प्रतिदीप्ति शोर बढ़ सकता है, सिग्नल-टू-शोर अनुपात 50 डीबी के करीब रहता है।

ऑप्टिकल पैरामीट्रिक प्रवर्धन प्रक्रिया के दौरान 1553 एनएम लेजर के लाइनविड्थ इवोल्यूशन को सही ढंग से मापने के लिए, शोधकर्ताओं ने लगभग 1 मेगाहर्ट्ज के रिज़ॉल्यूशन और 1.5 गीगाहर्ट्ज की एक मुक्त वर्णक्रमीय सीमा के साथ एक स्कैनिंग इंटरफेरोमीटर का उपयोग किया।

ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर के पहले चरण के दौरान निरंतर-लहर लेजर की प्रारंभिक लाइनव्थ 180 मेगाहर्ट्ज से 370 मेगाहर्ट्ज और 580 मेगाहर्ट्ज तक होती है और क्रमशः ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर के दूसरे चरण में।

छवि|शोधकर्ताओं ने पंप और सिग्नल लेज़रों की पल्स अवधि की जांच एक INGAAS फोटोडेटेक्टर (क्रेडिट: उन्नत फोटोनिक्स नेक्सस) के साथ की।
ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर प्रक्रिया के पैरामीट्रिक संक्रमण सीमा के कारण, सिग्नल लेज़रों में पंप लेज़रों की तुलना में एक स्टेटर पल्स फ्रंट होता है, और अवधि 13.1 एनएस से 9 एनएस तक कम हो जाती है।

इसके आधार पर, शोधकर्ताओं ने एक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर-आधारित 1553 एनएम स्पंदित लेजर प्राप्त किया, जिसमें 700 मेगावाट की औसत शक्ति और 9 एनएस की एक पल्स अवधि के साथ, जिसे 193 एनएम लेजर बनाने के लिए पंप स्रोत के रूप में उपयोग किया जा सकता है।

193 एनएम लेजर के आवेदन को और विस्तारित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने पहली बार 1553 एनएम भंवर बीम के लिए प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शन किया है, जिसमें 1553 एनएम स्पंदित लेजर के मौलिक गॉसियन मोड को लैगुएरे-गॉसियन (एलजी) मोड में ले जाने के बाद ऑर्बिटल कोन्युलर मोड में परिवर्तित किया जाता है। तरीका।

इस समय के दौरान, 25.4 मिमी व्यास लेंस एडाप्टर में 25 मिमी व्यास सर्पिल चरण प्लेट लगाई गई थी।

यद्यपि सर्पिल चरण प्लेट के सिरों को एक विरोधी परावर्तक कोटिंग के साथ लेपित नहीं किया गया था, इसका संचरण 90%से अधिक था।

किया गया कक्षीय कोणीय गति तब 221 एनएम लेजर और 193 एनएम लेजर को एक योग-आवृत्ति पीढ़ी प्रक्रिया के माध्यम से स्थानांतरित कर दी जाती है।

भंवर बीम की पीढ़ी को सत्यापित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने 1553 एनएम लेजर, एक 221 एनएम लेजर और विभिन्न मोड में 193 एनएम लेजर के बीम प्रोफाइल को रिकॉर्ड करने के लिए एक पायरोइलेक्ट्रिक कैमरे का उपयोग किया।

पेचदार चरण प्लेट के सम्मिलन से पहले, 1553 एनएम लेजर, 221 एनएम लेजर, और 193 एनएम लेजर सभी ने गॉसियन मोड प्रोफाइल का प्रदर्शन किया। (गाऊसी मोड प्रोफाइल एक सामान्य बीम पैटर्न को संदर्भित करता है जिसमें प्रकाश तीव्रता वितरण विशिष्ट प्रोफ़ाइल विशेषताओं के साथ एक गौसियन फ़ंक्शन के आकार पर ले जाता है।)

पेचदार चरण प्लेट के सम्मिलन पर, 1553 एनएम लेजर मोड परिवर्तित हो जाता है और एक गोलाकार तीव्रता वितरण प्रवृत्ति प्रदर्शित करता है जो लैगुएरे-गॉसियन मोड की विशेषता है। (नोट: Laguerre-Gaussian मोड लेजर बीम के लिए एक महत्वपूर्ण मोड है।)

अपने टोपोलॉजिकल चार्ज को निर्धारित करने में, शोधकर्ताओं ने पाया कि लैगुएरे-गॉसियन मोड, तथाकथित हरमाइट-गॉसियन (एचजी, हर्माइट-गॉस) मोड के विवर्तन पैटर्न को केवल एक बेलनाकार लेंस की शुरुआत करके प्राप्त किया जा सकता है। (नोट: प्रकाशिकी में, हरमाइट-गॉस मोड एक महत्वपूर्ण बीम पैटर्न है।)

हरमाइट-गॉस मोड पर गौई चरण शिफ्ट के प्रभाव को कम करने के लिए, 193 एनएम लेजर बीम को शुरू में कैल्शियम फ्लोराइड लेंस द्वारा 200 मिमी की फोकल लंबाई के साथ केंद्रित किया जाता है। ।

चूंकि बेलनाकार लेंस की एक छोटी फोकल लंबाई होती है, इसलिए इसे कैल्शियम फ्लोराइड लेंस के फोकल पॉइंट के पास रखा जाता है।

बेलनाकार लेंस केंद्र में एक अंतराल के साथ गोलाकार बीम को दो उज्ज्वल धब्बों में परिवर्तित करता है, जो 1 के टोपोलॉजिकल चार्ज के साथ एक भंवर बीम की पीढ़ी को दर्शाता है। यह परिणाम पेचदार चरण प्लेट के 2π चरण शिफ्ट के अनुरूप है। (नोट: 2, चरण शिफ्ट का तात्पर्य है कि एक लहर दूसरे के संबंध में एक पूर्ण चक्र पूरा करती है।)

भंवर बीम और गॉसियन मोड के बीच तीव्रता वितरण में महत्वपूर्ण अंतर के कारण, 258 एनएम लेजर के बीम को 1553 एनएम लेजर को कवर करने में सक्षम होने के लिए प्रवर्धित किया जाना चाहिए, जो कि सुम-फ़्रीक्वेंसी जनरेटर 1 और सुम-फ़्रीक्वेंसी जनरेटर 2 में कक्षीय कोणीय गति के बेहतर हस्तांतरण को सुनिश्चित करता है।

हालांकि, ऊपर वर्णित पूर्ण गाऊसी मोड प्रयोगों की तुलना में 258 एनएम लेजर की कमजोर शक्ति घनत्व ने सम-आवृत्ति पीढ़ी की रूपांतरण दक्षता को उस बिंदु पर काफी कम कर दिया, जहां शोधकर्ताओं ने केवल 30 मेगावाट 221 एनएम लेजर और 3 मेगावाट 193 एनएम लेजर प्राप्त किया।

नॉनलाइनर प्रक्रियाओं में कक्षीय कोणीय गति के संरक्षण के कानून के अनुसार, सम-आवृत्ति पीढ़ी द्वारा उत्पन्न लेजर का टोपोलॉजिकल चार्ज पंप लेजर के टोपोलॉजिकल आरोपों के योग के बराबर है।

इसलिए, 1553 एनएम लेजर का टोपोलॉजिकल चार्ज 1 है, 258 एनएम लेजर का टोपोलॉजिकल चार्ज 0 है क्योंकि यह गाऊसी मोड में है, और 221 एनएम लेजर का टोपोलॉजिकल चार्ज 1 है।

इस अवधि के दौरान, 193 एनएम भंवर बीम के विवर्तन पैटर्न को बीच में दो अंधेरे अंतराल के साथ तीन उज्ज्वल धब्बों में विभाजित किया गया है, जबकि तीव्रता वितरण गोलाकार रहता है।

1553 एनएम पर बुनियादी भंवर बीम की तुलना में, 221 एनएम लेजर के भंवर बीम प्रोफाइल और 193 एनएम लेजर अनिवार्य रूप से नॉन-क्रिस्टल के चरण बेमेल और वॉक-ऑफ प्रभावों के कारण सम-आवृत्ति पीढ़ी प्रक्रिया के दौरान अनिवार्य रूप से विकृत हैं।

इसी समय, कैस्केड संरचना कक्षीय कोणीय गति रूपांतरण की जटिलता को बढ़ाती है और यहां तक ​​कि मोड गिरावट का कारण बन सकती है। (मोड गिरावट एक ऐसी घटना है जिसमें विशिष्ट मोड के गुण मूल रूप से एक ऑप्टिकल वेवगाइड में मौजूद होते हैं जो आदर्श स्थिति से बिगड़ते हैं या विचलित होते हैं।)

शोधकर्ताओं का मानना ​​है कि छोटे क्रिस्टल का उपयोग करके, या एक अलग योग-आवृत्ति पीढ़ी प्रक्रिया का उपयोग करके कक्षीय कोणीय गति को ले जाने वाले मोड की गुणवत्ता में सुधार करना संभव हो सकता है।

यह देखते हुए कि 1553 एनएम लेजर को 1 0 30 एनएम लेजर द्वारा पंप और प्रवर्धित किया गया है, 1030 एनएम लेजर से 193 एनएम लेजर तक समग्र रूपांतरण दक्षता लगभग 0.55%है। इसलिए, वर्तमान कम रूपांतरण दक्षता के बावजूद, 1030 एनएम की पंप शक्ति को बढ़ाकर, 193 एनएम लेजर की शक्ति सैकड़ों मिलिवाट से अधिक होने की उम्मीद है और संभवतः वॉट्स के आदेश पर भी।

इसके अलावा, उच्च nonlinear गुणांक के साथ nonlinear क्रिस्टल के उपयोग से इस लक्ष्य को प्राप्त करने की व्यवहार्यता में काफी सुधार होगा।

इसी समय, एक पेचदार चरण प्लेट डालकर, गाऊसी मोड को एक लैगुएरे-गौसियन मोड में परिवर्तित किया जा सकता है, जिससे ऑर्बिटल एंगुलर गति को ले जाने वाले 1553 एनएम भंवर बीम की पीढ़ी को सक्षम किया जा सकता है।

पेचदार चरण प्लेट के चरण पारी को बदलकर, टोपोलॉजिकल चार्ज के क्रम को आसानी से बदला जा सकता है। पिछले अध्ययनों में बताया गया है कि कक्षीय कोणीय गति को ले जाने वाले बीम को एकल-क्रिस्टल फाइबर और नाइट्रोजन प्लास्मा में प्रवर्धित किया जा सकता है, यह सुझाव देते हुए कि 193 एनएम भंवर बीम को एक्साइमर लेजर में भी प्रवर्धित किया जा सकता है।

इसके आधार पर, शोधकर्ताओं का अनुमान है कि 193 एनएम लेजर का उपयोग विभिन्न प्रकार के नए अनुप्रयोगों में किया जा सकता है, इसके उच्च शक्ति उत्पादन और अद्वितीय भंवर बीम विशेषताओं का उपयोग किया जा सकता है।