在科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域，利用深紫外（DUV）區(qū)域的相干光源在光刻、缺陷檢測、計量和光譜學(xué)等各種應(yīng)用中具有重要意義。傳統(tǒng)上，高功率 193 nm 激光器在光刻技術(shù)中起著舉足輕重的作用，是精密圖形系統(tǒng)不可或缺的組成部分。然而，傳統(tǒng) ArF 準(zhǔn)分子激光器的相干性限制阻礙了其在干涉光刻等需要高分辨率圖案的應(yīng)用中的有效性。

混合 ArF 準(zhǔn)分子激光器的概念應(yīng)運而生。將窄線寬固體 193 nm 激光種子源集成到 ArF 振蕩器中，在實現(xiàn)窄線寬的同時增強了相干性，從而提高了高通量干涉光刻的性能。這一創(chuàng)新不僅提高了圖案精度，還加快了光刻速度。此外，混合 ArF 準(zhǔn)分子激光器的高光子能量和相干性有助于直接加工各種材料，包括碳化合物和固體，同時將熱影響降至最低。這種多功能性凸顯了它在從光刻到激光加工等多個領(lǐng)域的潛力。

中國科學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種由級聯(lián)三硼酸鋰晶體產(chǎn)生的193納米DUV激光器。

要優(yōu)化 ArF 放大器的種子激光，必須嚴(yán)格控制 193 nm 種子激光的線寬，最好低于 4 GHz 。該規(guī)范規(guī)定了對干涉至關(guān)重要的相干長度，而固態(tài)激光技術(shù)很容易滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。

中國科學(xué)院廣東大灣區(qū)空天信息研究院研究人員最近取得的一項突破推動了這一領(lǐng)域的發(fā)展。據(jù)《Advanced Photonics Nexus》報道，他們采用 LBO 晶體的復(fù)雜兩級和頻產(chǎn)生過程，實現(xiàn)了 193 nm 窄線寬 60 mW 的固態(tài) DUV 激光器。該過程涉及波長分別為 1030 nm 和 1553 nm 的泵浦激光器，它們分別來自摻鐿混合激光器和摻鉺光纖激光器。該裝置采用 2mm×2mm×30mm Yb:YAG 塊狀晶體進(jìn)行功率擴(kuò)展，取得了令人矚目的成果。

圖1：193 nm 激光系統(tǒng)的實驗裝置。SHG：二次諧波發(fā)生；FHG：四次諧波發(fā)生；SFG：和頻發(fā)生；DM1：AR@515 nm/HR@258 nm 二向色鏡；DM2：HR@258 nm/AR@1553 nm 二向色鏡。資料來源：張志韜 等人，《High-power, narrow linewidth solid-state deep ultraviolet laser generation at 193 nm by frequency mixing in LBO crystals》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。

圖2：1030 nm 摻鐿混合脈沖激光器的實驗裝置。AOM，聲光調(diào)制器；ISO，隔離器；PCF，光子晶體光纖；PBS，偏振分束器；QW，四分之一波片。資料來源：張志韜 等人，《High-power, narrow linewidth solid-state deep ultraviolet laser generation at 193 nm by frequency mixing in LBO crystals》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。

所產(chǎn)生的 193 nm DUV 激光及其伴隨的 221 nm 激光的平均功率為 60 mW，脈沖持續(xù)時間為 4.6 ns ，重復(fù)頻率為 6 kHz ，線寬約為 640 MHz 。值得注意的是，這標(biāo)志著由 LBO 晶體產(chǎn)生的 193 nm 和 221 nm 激光的最高輸出功率，以及 193 nm激光的最窄線寬。

圖3：LBO 晶體中第一個和第二個 SFG 產(chǎn)生的 (a) 221 nm 激光和 (b) 193 nm 激光的輸出平均功率分別與 258 nm 和 221 nm 激光的泵浦平均功率的函數(shù)關(guān)系。資料來源：張志韜 等人，《High-power, narrow linewidth solid-state deep ultraviolet laser generation at 193 nm by frequency mixing in LBO crystals》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。

圖4：(a) 生成的 193 nm 激光的脈沖持續(xù)時間。插圖：193 nm 激光的光束輪廓。測量到的 (b) 258 nm 激光和 (c) 221 nm 激光的光束輪廓。資料來源：張志韜 等人，《High-power, narrow linewidth solid-state deep ultraviolet laser generation at 193 nm by frequency mixing in LBO crystals》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。

特別值得注意的是所取得的出色轉(zhuǎn)換效率：221 nm 到 193 nm 的轉(zhuǎn)換效率為 27%，258 nm到 193 nm的轉(zhuǎn)換效率為 3%，為效率值設(shè)定了新的基準(zhǔn)。這項研究強調(diào)了 LBO 晶體在產(chǎn)生功率級別從數(shù)百毫瓦到瓦的 DUV 激光方面的巨大潛力，為探索其他 DUV 激光波長開辟了道路。

圖5：free-running下193 nm激光器在 1500 秒內(nèi)的功率穩(wěn)定性。資料來源：張志韜 等人，《High-power, narrow linewidth solid-state deep ultraviolet laser generation at 193 nm by frequency mixing in LBO crystals》，《Advanced Photonics Nexus》（2024）。

據(jù)該研究的通訊作者玄洪文教授介紹：報告中的研究證明了用固體激光器泵浦 LBO 以可靠有效地產(chǎn)生 193 nm 窄線寬激光的可行性，并為利用 LBO 制造高性價比、高功率 DUV 激光系統(tǒng)開辟了一條新途徑。這些進(jìn)步不僅推動了 DUV 激光技術(shù)的發(fā)展，而且有望徹底改變科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域的無數(shù)應(yīng)用。