Demostramos un láser ultravioleta profundo (DUV) totalmente de estado sólido basado en la cuadruplicación de frecuencia de un láser de estado sólido YAG Innoslab de 1 µm, 1,2 ps, Yb a una frecuencia de repetición de 10 kHz, usando LBO y BBO como segundo -cristales de generación de armónicos y generación de cuarto armónico, respectivamente. El láser DUV emite pulsos DUV de 20 W, 2,0 mJ, 665 fs, 258 nm, con una eficiencia de conversión general de ~8,7 % de 1 µm a DUV. La potencia máxima correspondiente de los pulsos DUV es de hasta 3 GW, que, según nuestro conocimiento, es la más alta en las fuentes DUV de estado sólido de tasa de kHz informadas impulsadas a una longitud de onda de 1 µm.

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1. Introducción

Las fuentes de láser de ultravioleta profundo (DUV) de alta potencia media por debajo de 300 nm con una duración de pulso corta y una potencia de pico alta están atrayendo la atención de los investigadores debido a sus aplicaciones, como el micromecanizado en un régimen de ablaciones en frío [1] , siembra de láseres de electrones libres [2], bombeo de amplificación paramétrica óptica (OPA) y sistemas de amplificación de pulso chirp paramétrico óptico (OPCPA) [3], ionización de gas noble y conducción de radiación de rayos X suave coherente a través de la generación de armónicos de alto orden extremo ( HHG) [4]. En las últimas décadas, con los rápidos avances de las tecnologías de láser de fibra y de estado sólido de 1 µm de alta potencia media y alta energía, las tecnologías de láser de fibra y de alta potencia media, Se han informado fuentes de láser DUV de estado sólido de alta energía con duraciones de pulso de nanosegundos (ns) a femtosegundos (fs) basadas en la cuadruplicación de frecuencia de esos láseres de 1 µm [5–19]. M. Nishioka et al. informaron sobre una de las fuentes DUV de ns más avanzadas. en 2003 [10], que entregó pulsos DUV de potencia promedio de 40 W a 266 nm, impulsados ​​por un láser Nd: YAG a una tasa de repetición de 7 kHz. Este es el láser DUV de estado sólido informado actualmente con la potencia promedio más alta. En la región de los picosegundos (ps), C.-L. demostró un láser DUV de alta energía representativo. Chang et al. en 2015 [7], con una energía de pulso de 2,74 mJ y una duración de pulso de 4,2 ps, impulsada por un láser Cryo-Yb: YAG de 1 kHz, ps. La corta duración del pulso y la alta energía del pulso hacen que el láser tenga la potencia máxima más alta de 0,56 GW entre todos los informes informados de frecuencia de kHz de 1 µm. Láseres DUV de estado sólido. Un año más tarde, otro láser DUV ps con una potencia promedio de 6 W y una duración de pulso estimada de 2 ps operando a 100 kHz se informó utilizando un láser de disco delgado Yb: YAG de 1030 nm como fuente de bombeo [13]. Los informes de fuentes DUV de alta potencia promedio en duraciones de pulso subps o fs son relativamente raros. Un informe reciente es el láser DUV de 4,6 W, 150 fs, 258 nm a una alta tasa de repetición de 796 kHz impulsado por un láser de fibra dopado con Yb [9]. A pesar de que el láser tiene una duración de pulso corta, su potencia máxima es de solo unos 38,5 MW, limitada por la energía de pulso relativamente baja. Con base en la literatura anterior, las potencias máximas de los láseres DUV de estado sólido impulsados ​​por 1 µm, frecuencia de kHz, oscilan entre unas pocas decenas y unos pocos cientos de MW, ya sea debido a la duración prolongada del pulso o debido a la baja energía de pulso. otro láser DUV ps con una potencia promedio de 6 W y una duración de pulso estimada de 2 ps que opera a 100 kHz se informó utilizando un láser de disco delgado Yb: YAG de 1030 nm como fuente de bombeo [13]. Los informes de fuentes DUV de alta potencia promedio en duraciones de pulso subps o fs son relativamente raros. Un informe reciente es el láser DUV de 4,6 W, 150 fs, 258 nm a una alta tasa de repetición de 796 kHz impulsado por un láser de fibra dopado con Yb [9]. A pesar de que el láser tiene una duración de pulso corta, su potencia máxima es de solo unos 38,5 MW, limitada por la energía de pulso relativamente baja. Con base en la literatura anterior, las potencias máximas de los láseres DUV de estado sólido impulsados ​​por 1 µm, frecuencia de kHz, oscilan entre unas pocas decenas y unos pocos cientos de MW, ya sea debido a la duración prolongada del pulso o debido a la baja energía de pulso. otro láser DUV ps con una potencia promedio de 6 W y una duración de pulso estimada de 2 ps que opera a 100 kHz se informó utilizando un láser de disco delgado Yb: YAG de 1030 nm como fuente de bombeo [13]. Los informes de fuentes DUV de alta potencia promedio en duraciones de pulso subps o fs son relativamente raros. Un informe reciente es el láser DUV de 4,6 W, 150 fs, 258 nm a una alta tasa de repetición de 796 kHz impulsado por un láser de fibra dopado con Yb [9]. A pesar de que el láser tiene una duración de pulso corta, su potencia máxima es de solo unos 38,5 MW, limitada por la energía de pulso relativamente baja. Con base en la literatura anterior, las potencias máximas de los láseres DUV de estado sólido impulsados ​​por 1 µm, frecuencia de kHz, oscilan entre unas pocas decenas y unos pocos cientos de MW, ya sea debido a la duración prolongada del pulso o debido a la baja energía de pulso.

Aquí, informamos sobre un láser DUV de estado sólido totalmente impulsado por 1 µm, frecuencia de kHz con una potencia máxima superior a 1 GW, combinado simultáneamente con las características de alta potencia promedio, alta energía y duración de pulso corta. El láser DUV se basa en la cuadruplicación de la frecuencia de un láser Innoslab Yb: YAG de 1 µm, 1,2 ps, 10 kHz. Los cristales LBO y BBO se utilizan para implementar la generación de segundo armónico (SHG) y la generación de cuarto armónico (FHG), respectivamente. Se entregan pulsos DUV de 20 W, 2,0 mJ, 665 fs, 258 nm, con una eficiencia de conversión de ~8,7 % de pulsos de 1 µm a 258 nm. La potencia pico correspondiente de los pulsos DUV es de hasta 3 GW, que es la más alta entre los láseres DUV de estado sólido de tasa de kHz informados impulsados ​​​​a una longitud de onda de 1 µm.

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2. Fuente de bombeo y configuraciones experimentales

La fuente de bombeo utilizada en nuestro experimento es un sistema comercial de amplificación de pulso chirrido (CPA) Yb: YAG basado en la tecnología de amplificación Innoslab (AMPHOS 300). Ofrece pulsos de 270 W, 27 mJ, 1,2 ps, 10 kHz centrados en 1030,8 nm. El espectro típico (resolución de 0,4 nm) de la fuente de la bomba se muestra en la Fig. 1(a), que tiene un ancho completo de 2,2 nm a la mitad del máximo (FWHM) centrado en 1030,8 nm. Las Figuras 1(b)–1(d) representan el perfil temporal de los pulsos de la bomba, medidos usando una puerta óptica con resolución de frecuencia SHG (SHG-FROG). La duración del pulso es de 1,2 ps, lo que corresponde a 1,7 veces la duración del pulso limitado por transformación (TL). El recuadro en la Fig. 1(a) muestra el perfil del haz del láser de bombeo a una potencia promedio de 270 W, que tiene una forma elíptica con dos lóbulos laterales distribuidos que rodean el haz principal (∼10 % de la energía se almacena en los lóbulos laterales). La viga principal tiene una circularidad del 80%. Estos lóbulos laterales son de los modos residuales de alto orden que no son filtrados completamente por el filtro espacial (rendija del haz) en el amplificador.

figura: figura 1.

Fig. 1. (a) Los espectros típicos medidos y recuperados. El recuadro muestra el perfil del haz del láser de bomba. (b) La forma y fase del pulso recuperado. Los rastros de FROG medidos (c) y recuperados (d).

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La figura 2 muestra el diseño óptico de la frecuencia que se cuadriplica a partir del láser Yb: YAG Innoslab de 1 µm. El haz de bombeo colimado se envía primero a través de un sintonizador de energía que consta de una placa de media onda y un polarizador de película delgada para controlar la energía de bombeo en el cristal SHG. Teniendo en cuenta la alta potencia máxima de los pulsos de bombeo, posteriormente se usa un telescopio para expandir el haz de bombeo original a un tamaño de haz más grande (11,5 mm a una intensidad de 1/e2 a lo largo del eje largo del haz principal) para evitar daños en el cristal. . Después del telescopio, se utiliza un LBO de 5 mm de espesor con recubrimientos antirreflectantes (AR) para 1030 nm y 515 nm en ambos lados y una apertura de 20×20 mm y se corta en