Wir demonstrieren einen All-Solid-State-Tiefen-Ultraviolett (DUV)-Laser, der auf der Frequenzvervierfachung eines 1 µm, 1,2 ps, Yb: YAG Innoslab-Festkörperlasers bei einer Wiederholungsrate von 10 kHz basiert, wobei LBO und BBO als Sekunde verwendet werden -Kristalle der harmonischen Generation bzw. der vierten harmonischen Generation. Der DUV-Laser liefert 20 W, 2,0 mJ, 665 fs, 258 nm DUV-Impulse mit einer Gesamtumwandlungseffizienz von ~8,7 % von 1 µm zu DUV. Die entsprechende Spitzenleistung von DUV-Pulsen beträgt bis zu 3 GW, was nach unserem besten Wissen bei berichteten Festkörper-DUV-Quellen mit kHz-Rate, die mit einer Wellenlänge von 1 µm betrieben werden, am höchsten ist.

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1. Einleitung

Tief-Ultraviolett (DUV)-Laserquellen mit hoher Durchschnittsleistung von unter 300 nm mit einer kurzen Pulsdauer und einer hohen Spitzenleistung ziehen aufgrund ihrer Anwendungen, wie z. B. der Mikrobearbeitung in einem Regime von Kaltablationen, große Aufmerksamkeit von Forschern auf sich , Seeding von Freie-Elektronen-Lasern [2], Pumpen von Systemen mit optisch parametrischer Verstärkung (OPA) und optisch parametrischer Chirp-Puls-Verstärkung (OPCPA) [3], Ionisieren von Edelgasen und Treiben von kohärenter weicher Röntgenstrahlung durch Erzeugung extrem hoher Harmonischer ( HHG) [4]. In den vergangenen Jahrzehnten, mit den rasanten Fortschritten bei hochenergetischen 1-µm-Festkörper- und Faserlasertechnologien mit hoher Durchschnittsleistung, Es wurde über hochenergetische Festkörper-DUV-Laserquellen mit Pulsdauern von Nanosekunden (ns) bis Femtosekunden (fs) basierend auf der Frequenzvervierfachung dieser 1-µm-Laser berichtet [5–19]. Eine der fortschrittlichsten ns-DUV-Quellen wurde von M. Nishioka et al. im Jahr 2003 [10], der DUV-Pulse mit 40 W mittlerer Leistung bei 266 nm lieferte, angetrieben von einem Nd: YAG-Laser mit einer Wiederholungsrate von 7 kHz. Dies ist der derzeit gemeldete Festkörper-DUV-Laser mit der höchsten Durchschnittsleistung. Im Pikosekundenbereich (ps) wurde ein repräsentativer Hochenergie-DUV-Laser von C.-L. Chang et al. im Jahr 2015 [7], mit einer Pulsenergie von 2,74 mJ und einer Pulsdauer von 4,2 ps, angetrieben von einem ps, 1 kHz, Cryo-Yb: YAG-Laser. Die kurze Impulsdauer und die hohe Impulsenergie machen den Laser mit der höchsten Spitzenleistung von 0,56 GW unter allen gemeldeten 1-µm-gesteuerten, kHz-Rate, All-Solid-State-DUV-Laser. Ein Jahr später wurde über einen weiteren ps-DUV-Laser mit 6 W Durchschnittsleistung und einer geschätzten Pulsdauer von 2 ps berichtet, der bei 100 kHz arbeitete und einen 1030-nm-Yb:YAG-Dünnscheibenlaser als Pumpquelle verwendete [13]. Berichte über DUV-Quellen mit hoher Durchschnittsleistung bei Pulsdauern im Sub-ps- oder fs-Bereich sind relativ selten. Ein kürzlich erschienener Bericht ist der 4,6 W, 150 fs, 258 nm DUV-Laser mit einer hohen Wiederholungsrate von 796 kHz, der von einem Yb-dotierten Faserlaser angetrieben wird [9]. Obwohl der Laser eine kurze Pulsdauer hat, beträgt seine Spitzenleistung nur etwa 38,5 MW, begrenzt durch die relativ niedrige Pulsenergie. Basierend auf den oben genannten Literaturstellen wandern die Spitzenleistungen von 1-µm-betriebenen, kHz-Raten, Vollfestkörper-DUV-Lasern um einige zehn bis einige hundert MW herum, entweder aufgrund der langen Pulsdauer oder aufgrund der niedrige Impulsenergie. ein weiterer ps-DUV-Laser mit 6 W mittlerer Leistung und einer geschätzten Pulsdauer von 2 ps, der bei 100 kHz arbeitet, wurde unter Verwendung eines 1030-nm-Yb:YAG-Dünnscheibenlasers als Pumpquelle beschrieben [13]. Berichte über DUV-Quellen mit hoher Durchschnittsleistung bei Pulsdauern im Sub-ps- oder fs-Bereich sind relativ selten. Ein kürzlich erschienener Bericht ist der 4,6 W, 150 fs, 258 nm DUV-Laser mit einer hohen Wiederholungsrate von 796 kHz, der von einem Yb-dotierten Faserlaser angetrieben wird [9]. Obwohl der Laser eine kurze Pulsdauer hat, beträgt seine Spitzenleistung nur etwa 38,5 MW, begrenzt durch die relativ niedrige Pulsenergie. Basierend auf den oben genannten Literaturstellen wandern die Spitzenleistungen von 1-µm-betriebenen, kHz-Raten, Vollfestkörper-DUV-Lasern um einige zehn bis einige hundert MW herum, entweder aufgrund der langen Pulsdauer oder aufgrund der niedrige Impulsenergie. ein weiterer ps-DUV-Laser mit 6 W mittlerer Leistung und einer geschätzten Pulsdauer von 2 ps, der bei 100 kHz arbeitet, wurde unter Verwendung eines 1030-nm-Yb:YAG-Dünnscheibenlasers als Pumpquelle beschrieben [13]. Berichte über DUV-Quellen mit hoher Durchschnittsleistung bei Pulsdauern im Sub-ps- oder fs-Bereich sind relativ selten. Ein kürzlich erschienener Bericht ist der 4,6 W, 150 fs, 258 nm DUV-Laser mit einer hohen Wiederholungsrate von 796 kHz, der von einem Yb-dotierten Faserlaser angetrieben wird [9]. Obwohl der Laser eine kurze Pulsdauer hat, beträgt seine Spitzenleistung nur etwa 38,5 MW, begrenzt durch die relativ niedrige Pulsenergie. Basierend auf den oben genannten Literaturstellen wandern die Spitzenleistungen von 1-µm-betriebenen, kHz-Raten, Vollfestkörper-DUV-Lasern um einige zehn bis einige hundert MW herum, entweder aufgrund der langen Pulsdauer oder aufgrund der niedrige Impulsenergie.

Hier berichten wir über einen 1-µm-betriebenen, kHz-Rate, Festkörper-DUV-Laser mit einer Spitzenleistung von mehr als 1 GW, gleichzeitig kombiniert mit den Eigenschaften hoher Durchschnittsleistung, hoher Energie und kurzer Impulsdauer. Der DUV-Laser basiert auf der Frequenzvervierfachung eines 1 µm, 1,2 ps, 10 kHz, Yb: YAG Innoslab Lasers. LBO- und BBO-Kristalle werden verwendet, um die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) bzw. der Erzeugung der vierten Harmonischen (FHG) zu implementieren. 20 W, 2,0 mJ, 665 fs, 258 nm DUV-Pulse werden mit einer Umwandlungseffizienz von ~8,7 % von 1 µm bis 258 nm Pulsen geliefert. Die entsprechende Spitzenleistung von DUV-Pulsen beträgt bis zu 3 GW, was die höchste unter den gemeldeten Vollfestkörper-DUV-Lasern mit kHz-Rate ist, die mit einer Wellenlänge von 1 µm betrieben werden.

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2. Pumpquelle und Versuchsaufbauten

Die in unserem Experiment verwendete Pumpquelle ist ein kommerzielles Yb:YAG Chirped-Pulse Amplification (CPA)-System basierend auf der Innoslab-Amplifikationstechnologie (AMPHOS 300). Es liefert 270 W, 27 mJ, 1,2 ps, 10-kHz-Impulse, die bei 1030,8 nm zentriert sind. Das typische Spektrum (Auflösung 0,4 nm) von der Pumpquelle ist in Fig. 1(a) gezeigt, das eine Halbwertsbreite (FWHM) von 2,2 nm hat, die bei 1030,8 nm zentriert ist. Die Abbildungen 1(b)–1(d) zeigen das zeitliche Profil der Pumppulse, gemessen mit einem frequenzaufgelösten optischen SHG-Gating (SHG-FROG). Die Impulsdauer beträgt 1,2 ps, was dem 1,7-fachen der transformationsbegrenzten (TL) Impulsdauer entspricht. Einschub in Abb. 1(a) zeigt das Strahlprofil des Pumplasers bei 270 W Durchschnittsleistung, der eine elliptische Form mit zwei verteilten Seitenkeulen hat, die den Hauptstrahl umgeben (~10 % Energie wird in den Seitenkeulen gespeichert). Der Hauptstrahl hat eine Rundheit von 80 %. Diese Seitenkeulen stammen von den Restmoden höherer Ordnung, die nicht vollständig durch das räumliche Filter (Strahlschlitz) im Verstärker herausgefiltert werden.

Abbildung: Abb. 1.

Abb. 1. (a) Die typischen gemessenen und abgerufenen Spektren. Einschub zeigt das Strahlprofil des Pumplasers. (b) Die abgerufene Impulsform und -phase. Die gemessenen (c) und abgerufenen (d) FROG-Spuren.

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Bild 2 zeigt den optischen Aufbau der Frequenzvervierfachung ausgehend vom 1 µm Yb:YAG Innoslab Laser. Der kollimierte Pumpstrahl wird zuerst durch einen Energietuner geschickt, der aus einer Halbwellenplatte und einem Dünnschichtpolarisator zum Steuern der Pumpenergie auf dem SHG-Kristall besteht. Unter Berücksichtigung der hohen Spitzenleistung der Pumppulse wird anschließend ein Teleskop verwendet, um den ursprünglichen Pumpstrahl auf eine größere Strahlgröße (11,5 mm bei 1/e2 Intensität entlang der Längsachse des Hauptstrahls) aufzuweiten, um Kristallschäden zu vermeiden . Nach dem Teleskop wird ein 5 mm dickes LBO mit Antireflexionsbeschichtungen (AR) für 1030 nm und 515 nm auf beiden Seiten und einer Apertur von 20 × 20 mm verwendet und geschnitten