우리는 LBO와 BBO를 두 번째로 사용하여 10 kHz 반복률에서 1 µm, 1.2 ps, Yb: YAG Innoslab 고체 레이저의 주파수 4배를 기반으로 하는 전고체 심자외선(DUV) 레이저를 시연합니다. -고조파 발생 및 4차 고조파 발생 크리스탈. DUV 레이저는 20W, 2.0mJ, 665fs, 258nm DUV 펄스를 전달하며 전체 변환 효율은 1µm에서 DUV까지 ~8.7%입니다. DUV 펄스의 해당 피크 전력은 최대 3GW이며, 이는 우리가 아는 한 1µm 파장에서 구동되는 보고된 kHz 속도 전고체 DUV 소스에서 가장 높습니다.

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1. 소개

펄스 지속 시간이 짧고 피크 출력이 높은 300nm 미만의 고평균 출력 심자외선(DUV) 레이저 소스는 저온 절제 영역에서의 미세 기계 가공과 같은 응용 분야로 인해 연구자들로부터 광범위한 관심을 받고 있습니다[1] , 자유 전자 레이저 시딩[2], 광학 파라메트릭 증폭(OPA) 및 광학 파라메트릭 처프-펄스 증폭(OPCPA) 시스템 펌핑[3], 비활성 기체 이온화 및 극도의 고차 고조파 생성을 통한 간섭성 연 X선 복사 구동( HHG) [4]. 지난 수십 년 동안 고 평균 출력, 고 에너지 1µm 고체 및 파이버 레이저 기술의 급속한 발전으로 고 평균 출력, 1μm 레이저의 주파수 4배에 기반한 나노초(ns)에서 펨토초(fs)까지의 펄스 지속 시간을 갖는 고에너지 전고체 DUV 레이저 소스가 보고되었습니다[5-19]. 가장 발전된 ns DUV 소스 중 하나는 M. Nishioka et al. 2003년에[10], 7kHz 반복률에서 Nd:YAG 레이저에 의해 구동되는 266nm에서 40W 평균 전력 DUV 펄스를 전달했습니다. 이것은 가장 높은 평균 출력을 가진 현재 보고된 고체 DUV 레이저입니다. 피코초(ps) 영역에서 대표적인 고에너지 DUV 레이저를 C.-L. Chang et al. 2015년[7], ps, 1kHz, Cryo-Yb: YAG 레이저로 구동되는 2.74mJ 펄스 에너지 및 4.2ps 펄스 지속 시간. 짧은 펄스 지속 시간과 높은 펄스 에너지로 인해 보고된 모든 1µm 구동, kHz 속도, 전고체 DUV 레이저. 1년 후, 평균 출력이 6W이고 100kHz에서 작동하는 추정 펄스 지속 시간이 2ps인 또 다른 ps DUV 레이저가 펌프 소스로 1030nm Yb:YAG 얇은 디스크 레이저를 사용하는 것으로 보고되었습니다[13]. sub-ps 또는 fs 펄스 지속 시간에서 평균 전력이 높은 DUV 소스에 대한 보고는 상대적으로 드뭅니다. 최근 보고서는 Yb 도핑 파이버 레이저에 의해 구동되는 796kHz의 높은 반복률에서 4.6W, 150fs, 258nm DUV 레이저입니다[9]. 레이저의 펄스 지속 시간이 짧음에도 불구하고 최대 전력은 상대적으로 낮은 펄스 에너지로 인해 제한되는 약 38.5MW에 불과합니다. 위의 문헌에 따르면 1µm 구동, kHz 속도, 전고체 DUV 레이저의 피크 출력은 펄스 지속 시간이 길거나 낮은 펄스 에너지. 6W 평균 출력과 100kHz에서 작동하는 추정 펄스 지속 시간이 2ps인 또 다른 ps DUV 레이저는 펌프 소스로 1030nm Yb:YAG 얇은 디스크 레이저를 사용하는 것으로 보고되었습니다[13]. sub-ps 또는 fs 펄스 지속 시간에서 평균 전력이 높은 DUV 소스에 대한 보고는 상대적으로 드뭅니다. 최근 보고서는 Yb 도핑 파이버 레이저에 의해 구동되는 796kHz의 높은 반복률에서 4.6W, 150fs, 258nm DUV 레이저입니다[9]. 레이저의 펄스 지속 시간이 짧음에도 불구하고 최대 전력은 상대적으로 낮은 펄스 에너지로 인해 제한되는 약 38.5MW에 불과합니다. 위의 문헌에 따르면 1µm 구동, kHz 속도, 전고체 DUV 레이저의 피크 출력은 펄스 지속 시간이 길거나 낮은 펄스 에너지. 6W 평균 출력과 100kHz에서 작동하는 추정 펄스 지속 시간이 2ps인 또 다른 ps DUV 레이저는 펌프 소스로 1030nm Yb:YAG 얇은 디스크 레이저를 사용하는 것으로 보고되었습니다[13]. sub-ps 또는 fs 펄스 지속 시간에서 평균 전력이 높은 DUV 소스에 대한 보고는 상대적으로 드뭅니다. 최근 보고서는 Yb 도핑 파이버 레이저에 의해 구동되는 796kHz의 높은 반복률에서 4.6W, 150fs, 258nm DUV 레이저입니다[9]. 레이저의 펄스 지속 시간이 짧음에도 불구하고 최대 전력은 상대적으로 낮은 펄스 에너지로 인해 제한되는 약 38.5MW에 불과합니다. 위의 문헌에 따르면 1µm 구동, kHz 속도, 전고체 DUV 레이저의 피크 출력은 펄스 지속 시간이 길거나 낮은 펄스 에너지.

여기에서 우리는 높은 평균 출력, 높은 에너지 및 짧은 펄스 지속 시간의 특성과 동시에 1GW 이상의 피크 출력을 가진 1µm 구동, kHz 속도, 전 고체 DUV 레이저를 보고합니다. DUV 레이저는 1 µm, 1.2 ps, 10 kHz, Yb: YAG Innoslab 레이저의 주파수 4배화를 기반으로 합니다. LBO 및 BBO 크리스탈은 각각 2차 고조파 발생(SHG) 및 4차 고조파 발생(FHG)을 구현하는 데 사용됩니다. 20W, 2.0mJ, 665fs, 258nm DUV 펄스가 전달되며 변환 효율은 1µm에서 258nm 펄스까지 ~8.7%입니다. DUV 펄스의 해당 피크 전력은 최대 3GW이며, 이는 1μm 파장에서 구동되는 보고된 kHz 속도 전고체 DUV 레이저 중에서 가장 높습니다.

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2. 펌프 소스 및 실험 설정

실험에 사용된 펌프 소스는 Innoslab 증폭 기술(AMPHOS 300)을 기반으로 하는 상용 Yb:YAG 처프 펄스 증폭(CPA) 시스템입니다. 1030.8nm에 집중된 270W, 27mJ, 1.2ps, 10kHz 펄스를 제공합니다. 펌프 소스의 일반적인 스펙트럼(0.4nm 분해능)은 그림 1(a)에 나와 있으며, 1030.8nm에 중심을 둔 반치폭(FWHM)이 2.2nm입니다. 그림 1(b)–1(d)는 SHG 주파수 분해 광학 게이팅(SHG-FROG)을 사용하여 측정한 펌프 펄스의 시간적 프로파일을 나타냅니다. 펄스 지속 시간은 TL(변환 제한) 펄스 지속 시간의 1.7배에 해당하는 1.2ps입니다. 그림 1(a)의 삽입 그림은 270W 평균 출력에서 ​​펌프 레이저의 빔 프로파일을 보여줍니다. 펌프 레이저는 메인 빔을 둘러싸는 두 개의 분포된 사이드 로브가 있는 타원형입니다(~10% 에너지가 사이드 로브에 저장됨). 메인 빔의 원형도는 80%입니다. 이러한 사이드 로브는 증폭기의 공간 필터(빔 슬릿)에 의해 완전히 필터링되지 않는 잔류 고차 모드에서 나옵니다.

그림: 그림 1.

그림 1. (a) 일반적인 측정 및 검색 스펙트럼. Inset은 펌프 레이저의 빔 프로파일을 보여줍니다. (b) 검색된 펄스 모양 및 위상. 측정된(c) 및 검색된(d) FROG 추적.

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그림 2는 1µm Yb: YAG Innoslab 레이저에서 시작하는 주파수 4배의 광학 레이아웃을 보여줍니다. 시준된 펌프 빔은 먼저 SHG 결정의 펌프 에너지를 제어하기 위한 반파장 판과 박막 편광기로 구성된 에너지 튜너를 통해 전송됩니다. 펌프 펄스의 높은 피크 전력을 고려하여 수정 손상을 방지하기 위해 망원경을 사용하여 원래 펌프 빔을 더 큰 빔 크기(메인 빔의 장축을 따라 1/e2 강도에서 11.5mm)로 확장합니다. . 망원경 다음에는 양면에 1030nm 및 515nm에 대한 무반사(AR) 코팅이 있고 20×20mm의 조리개가 있는 5mm 두께의 LBO가 사용되며