Influence of Initial Gas Pressure on the Spatial Intensity Distribution of Double-Pass Amplified 69.8 nm and 72.6 nm Lasers

Licht dat onzichtbaar is voor het menselijk oog, net voorbij het violette uiteinde van het spectrum, neemt een unieke plaats in in de moderne wetenschap. Dit is het domein van extreem ultraviolet, of EUV, een vorm van straling die zo energierijk is dat het de kleinste details van de atomaire wereld kan onthullen. Om dit licht te creëren, gebruiken wetenschappers geen traditionele lampen of lasers; in plaats daarvan genereren ze het door gas te oververhitten tot het een plasma wordt, een aggregatietoestand waarin elektronen van atomen worden gestript, wat een kolkende, hoogtemperatuur-soep creëert. In deze omgeving kunnen specifieke ionen worden verleid om lichtflitsen af te geven in zeer precieze kleuren. Hoewel dit licht ongelooflijk nuttig is voor geavanceerde fabricage en microscopie, is het vangen en versterken ervan berucht moeilijk. De spiegels die nodig zijn om deze lichtbundels te leiden en te versterken, worden vaak beschadigd of vernietigd door de intense hitte en de bombardementen van het plasma dat ze creëert. Deze kwetsbaarheid dwong onderzoekers lange tijd tot een "one-and-done"-aanpak, waarbij het licht slechts één keer door het plasma wordt gelaten voordat het wordt opgevangen, wat de totale energie die ze kunnen extraheren beperkt.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gevonden om meer uit dit delicate proces te halen door het licht succesvol voor een tweede keer door het plasma te laten stuiteren, waardoor de versterking effectief wordt verdubbeld zonder hun apparatuur te vernietigen. Ze richtten zich op twee specifieke tinten extreem ultraviolet licht, één op 69,8 nanometer en een andere op 72,6 nanometer, gegenereerd uit neon-achtige argonionen. De sleutel tot hun succes was een spiegel gemaakt van siliciumcarbide, een materiaal dat zo hard is dat het de zware plasmaomgeving kan weerstaan waar andere spiegels zouden falen. Door deze spiegel aan het uiteinde van een smalle buis gevuld met argongas te plaatsen, waren zij in staat het licht terug door het plasma te reflecteren, waardoor het een tweede kans kreeg om sterker te worden. Deze eenvoudige maar robuuste opstelling stelde hen in staat om te bestuderen hoe de vorm en de spreiding van de lichtbundel veranderen wanneer ze de initiële condities van het gas aanpassen, wat een verrassende gevoeligheid voor de druk van het gas in de buis onthulde.

Het experiment begon met een lange, dunne keramische buis, een capillair genoemd, die gevuld was met argongas. De onderzoekers gebruikten een krachtige elektrische ontlading om eerst een kleine hoeveelheid plasma te creëren, en stuurden daarna een enorme stroom door het plasma. Deze stroom werkte als een magnetische knijp, waardoor het plasma werd samengeperst tot een nauwe, hete kolom. Op het moment dat het plasma zijn maximale dichtheid bereikte, werden de atomen binnenin geprikkeld en begonnen ze het specifieke ultraviolette licht uit te stralen waar het team naar op zoek was. Om te zien wat er gebeurde, gebruikten ze een gespecialiseerde camera en een rooster dat de verschillende kleuren licht kon scheiden, waardoor ze precies in kaart konden brengen hoe het licht over de bundel was verdeeld. Ze vergeleken twee scenario's: één waarbij het licht slechts één keer door het plasma reisde, en één waarbij de siliciumcarbidespiegel het voor een tweede ronde terugstuurde. De resultaten waren onmiddellijk en spectaculair. Wanneer het licht de ronde reis maakte, werd de 69,8 nanometer bundel meer dan zeven keer helderder, terwijl de 7 72,6 nanometer bundel meer dan drie keer helderder werd. Dit bevestigde dat de spiegel perfect werkte, het licht terug reflecteerde zonder beschadigd te raken, en dat het plasma klaar was om de terugkerende bundel te versterken.

De meest interessante ontdekking kwam echter toen de onderzoekers de druk van het argongas in de buis begonnen te veranderen. Ze ontdekten dat de vorm van de laserbundel niet vaststond; deze verschoof drastisch afhankelijk van de hoeveelheid aanwezige gas. Bij een lagere druk van 14 pascal bleef het versterkte licht geconcentreerd nabij het midden van de bundel, wat een heldere stip met een relatief smalle spreiding creëerde. Naarmate ze de druk verhoogden naar 16 pascal, begon de bundel te verbreden en begon het licht gelijkmatiger te verspreiden. Maar toen ze de druk opstuwden naar 18 pascal, onderging de bundel een complete transformatie. Het heldere centrum vervaagde en het licht herschikte zich tot een holle ring, of annulus, waarbij de sterkste intensiteit nu aan de randen in plaats van in het midden lag. Deze verschuiving deed zich voor voor beide kleuren licht, wat duidt op een fundamentele verandering in de manier waarop het licht door het plasma reist.

De reden voor deze transformatie ligt in de onzichtbare structuur van het plasma zelf. Naarmate de gasdruk toeneemt, verandert de manier waarop het plasma door het magnetische veld wordt samengeperst, wat een steilere gradiënt creëert in de dichtheid van elektronen van het midden van de bundel naar de randen. Deze dichtheidsgradiënt werkt als een lens, die het licht afbuigt terwijl het reist. Wanneer de druk laag is, is de gradiënt mild en passeert het licht de bundel met weinig afwijking, waardoor het nabij het centrum blijft. Wanneer de druk hoog is, wordt de gradiënt steil en werkt deze als een sterke lens die de lichtstralen naar buiten buigt. Het licht dat door de spiegel wordt teruggekaatst, reist door deze dichte, gradiëntrijke omgeving en wordt zo sterk afgebogen dat het van het centrum wordt weggeduwd en naar de randen van de bundel wordt gedwongen. Dit verklaart waarom de bundel bij hogere drukken in een ring verandert; het plasma breekt het licht in feite weg van het midden en concentreert het aan de periferie.

De onderzoekers observeerden dat zelfs kleine veranderingen in de gasdruk, slechts enkele pascal, deze grote verschuivingen in de vorm van de bundel veroorzaakten. Deze gevoeligheid suggereert dat de 69,8 en 72,6 nanometer lasers zeer responsief zijn op de exacte condities van het plasma op het moment van generatie. Het team merkte op dat hoewel ze het 69,8 nanometer licht tot het punt van verzadiging hadden versterkt—wat betekent dat het plasma zoveel mogelijk energie afgeeft als het kan—het 72,6 nanometer licht nog ruimte had om te groeien. Het feit dat ze deze dubbele-pass versterking voor de eerste keer konden bereiken voor de 72,6 nanometer golflengte, is een belangrijke stap voorwaarts. Door te begrijpen hoe de gasdruk de vorm van de bundel via breking controleert, hebben wetenschappers nu een duidelijker pad om deze lasers te optimaliseren. Deze kennis is essentieel voor toekomstige pogingen om complexere systemen te bouwen, zoals het gebruik van een volledige optische holte om het licht meerdere keren heen en weer te laten stuiteren, wat zou kunnen leiden tot nog krachtigere en nuttigere bronnen van extreem ultraviolet licht.