Wetenschap
Oud kristal, nieuw verhaal voor het verbeteren van de prestaties van diep-ultraviolette lasers
Op het gebied van wetenschap en technologie is het benutten van coherente lichtbronnen in het diep-ultraviolette gebied (DUV) van enorme betekenis voor verschillende toepassingen, zoals lithografie, defectinspectie, metrologie en spectroscopie. Traditioneel zijn krachtige 193-nanometer (nm) lasers cruciaal geweest in de lithografie en vormen ze een integraal onderdeel van systemen die worden gebruikt voor nauwkeurige patroonvorming. De coherentiebeperkingen die gepaard gaan met conventionele ArF-excimeerlasers belemmeren echter hun effectiviteit in toepassingen die patronen met een hoge resolutie vereisen, zoals interferentielithografie.
Voer het concept van de "hybride ArF-excimeerlaser" in. Door een solid-state 193-nm laserzaadje met smalle lijnbreedte te integreren in plaats van de ArF-oscillator, wordt een verbeterde coherentie bereikt naast een smalle lijnbreedte, waardoor betere prestaties bij interferentielithografie met hoge doorvoer mogelijk worden. Deze innovatie verhoogt niet alleen de patroonprecisie, maar versnelt ook de lithografiesnelheid.
Bovendien vergemakkelijken de verhoogde fotonenenergie en coherentie van de hybride ArF-excimeerlaser de directe verwerking van verschillende materialen, waaronder koolstofverbindingen en vaste stoffen, met minimale thermische impact. Deze veelzijdigheid onderstreept het potentieel ervan op diverse gebieden, van lithografie tot laserbewerking.
Om het zaaien voor een ArF-versterker te optimaliseren, moet de lijnbreedte van de 193 nm zaadlaser nauwgezet worden gecontroleerd, idealiter onder 4 gigahertz (GHz). Deze specificatie dicteert de coherentielengte die cruciaal is voor interferentie, een criterium waaraan gemakkelijk kan worden voldaan door middel van vastestoflasertechnologieën.
Een recente doorbraak van onderzoekers van de Chinese Academie van Wetenschappen stuwt dit veld vooruit. Zoals gerapporteerd in Advanced Photonics Nexus hebben ze een opmerkelijke DUV-laser in vaste toestand van 60 milliwatt (mW) bij 193 nm met een smalle lijnbreedte gerealiseerd met behulp van een geavanceerd tweetraps proces voor het genereren van somfrequenties waarbij gebruik wordt gemaakt van LBO-kristallen. Het proces omvat pomplasers bij 258 en 1553 nm, afgeleid van respectievelijk een Yb-hybride laser en een Er-gedoteerde fiberlaser. Deze opstelling, die culmineert in een Yb:YAG-bulkkristal van 2 mm x 2 mm x 30 mm voor vermogensschaling, demonstreert indrukwekkende resultaten.
De gegenereerde DUV-laser, vergezeld van zijn 221 nm-tegenhanger, vertoont een gemiddeld vermogen van 60 mW, een pulsduur van 4,6 nanoseconden (ns) en een herhalingssnelheid van 6 kilohertz (kHz), met een lijnbreedte van ongeveer 640 megahertz ( MHz). Dit markeert met name het hoogste uitgangsvermogen voor zowel 193- als 221-nm-lasers gegenereerd door een LBO-kristal, samen met de smalste lijnbreedte gerapporteerd voor een 193-nm-laser.
Van bijzonder belang is de uitstekende conversie-efficiëntie die wordt bereikt:27% voor 221 tot 193 nm en 3% voor 258 tot 193 nm, waarmee nieuwe maatstaven op het gebied van efficiëntiewaarden worden gezet. Dit onderzoek onderstreept het enorme potentieel van LBO-kristallen bij het genereren van DUV-lasers met vermogensniveaus variërend van honderden milliwatt tot watt, waardoor mogelijkheden worden geopend voor het verkennen van andere DUV-lasergolflengten.
Volgens prof. Hongwen Xuan, corresponderend auteur van het werk, demonstreert het gerapporteerde onderzoek "de haalbaarheid van het pompen van LBO met vastestoflasers voor het betrouwbaar en effectief genereren van laser met smalle lijnbreedte bij 193 nm, en opent het een nieuwe manier om een laser te fabriceren kosteneffectief, krachtig DUV-lasersysteem met LBO."
Deze ontwikkelingen verleggen niet alleen de grenzen van de DUV-lasertechnologie, maar zijn ook veelbelovend voor een revolutie in talloze toepassingen in wetenschappelijke en industriële domeinen.