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    深紫外（DUV）相关光源于光刻、缺陷检测、计量学及光谱学等诸多范畴具备极为主要的运用价值。传统193nm氟化氩（ArF）准份子高功率激光一直是光刻范畴组成高精度图案化体系的焦点部门。

然而，因为其道理固有的较低相关性（多模振荡致使较年夜的M^2值以和10-100GHz的较宽谱宽），于必然水平上也限定了其于诸如干预干与光刻等需要高分辩率图案的运用。

为实现干预干与所需的相关长度，193nm种子激光的线宽必需被严酷节制于4GHz如下，而固态激光器可以或许轻松满意这一要求。

混淆ArF准份子激光器 的观点应运而生。经由过程用窄线宽的193nm固态种子激光器代替ArF激光振荡器，沿用用在功率加强的ArF准份子放年夜器。这一立异技能显著晋升了激光相关性及线宽不变性,优化了高通量干预干与光刻的机能，提高了图案的精度以和光刻的速率。

此外，混淆ArF准份子激光器依附其高光子能量及优秀的相关性，可以或许直接加工多种包括碳化合物的固体质料，且热影响极小。这类多功效性充实揭示了混淆ArF准份子激光器于从光刻到激光加工等多个范畴的运用潜力。

中国科学院的研究职员于2024年取患上的冲破鞭策了这一范畴的成长。据《Advanced Photonics Nexus》报导，他们使用三硼酸锂（LBO）举行双级联及频（SFG）历程，实现了193nm、60mW的窄线宽固态深紫外激光输出。

试验中，研究职员起首自立搭建了1030nm波长的Yb:YAG晶体高功率放年夜器及1553nm波长的掺铒光纤放年夜器作为基础激光源，利用LBO晶体将14.6W的1030nm脉冲激光倍频（SHG）孕育发生了10W的515nm绿光脉冲，随后用硼酸铯锂（CLBO）晶体孕育发生了2W的258nm四倍频（FHG）深紫外激光。孕育发生的258nm激光再与1553nm激光经由过程两个LBO晶体共线级联及频（SFG）历程实现了193nm的激光输出。两个阶段的SFG历程凡是是分隔的，为简化设置，研究职员采用了共线级联方案：

第一阶段SFG于相位匹配类型Ⅱ [1553nm(o)+258nm(e) 221nm(o)]前提下孕育发生221nm激光；第二阶段SFG于相位匹配类型Ⅰ [1553nm(o)+221nm(o) 193nm(e)]前提下孕育发生193nm激光。221nm激光及第一阶段SFG的残剩1553nm激光的偏振态满意第二阶段SFG的I型相位匹配前提，是以两个LBO晶体可以串联放置。

193nm激光体系的试验装配。

该结果实现了卓着的转换效率。末了一级221nm到193nm的转换效率高达27%，假如从258nm计较的话转换到193nm的效率也到达了3%。这项研究突显了LBO晶体于孕育发生从几百毫瓦到瓦级功率的深紫外激光方面的巨年夜潜力，并为摸索其他深紫外激光波长斥地了门路。

随后于2025年3月，《Advanced Photonics Nexus》又报导了该团队使用光学参量放年夜器及涡旋光束天生的紧凑型窄线宽固态193nm脉冲激光源的新进展。

试验中，研究团队于上述研究的基础上改良了1553nm脉冲激光源。他们用试验中的1030nm Yb:YAG放年夜器泵浦周期性极化铌酸锂（PPLN）光学参量放年夜器（OPA）得到1553nm激光脉冲。用OPA代替掺铒光纤放年夜器使体系布局越发紧凑，激光脉冲相对于噪声更小，输出功率也从600mW晋升到了700mW。

1553nm脉冲激光源由两级OPA组成，第一级OPA由单频漫衍式反馈（DFB）持续波半导体激光器作为种子光以和Yb:YAG晶体放年夜器孕育发生的700mW的1030nm激光作泵浦，经由过程PPLN晶体实现48mW的1553nm激光放年夜。随后放年夜的1553nm激光再与3W的1030nm激光合束经由过程第二块PPLN晶体进一步放年夜，得到700mW的1553nm激光。

1553nm的OPA试验装配。

于该试验中，9W Yb:YAG放年夜器的脉冲光颠末SHG及FHG历程依次实现5.6W的515nm激光及1.2W的258nm激光。

继承采用前述共线级联SFG方案，为填补258nm激光功率较以前降低的环境，选择更长的LBO晶体，得到了270 mW的221nm及70mW的193nm激光输出。此193nm激光脉冲的线宽小在880MHz，可作为种子源输入到ArF准份子放年夜器举行继承放年夜以得到几十瓦到上百瓦平均功率的窄线宽混淆ArF激光体系。

为摸索新运用，研究团队还有经由过程于1553nm光束频率混淆前引入螺旋相位板，天生了一束携带轨道角动量（OAM）的拉盖尔-高斯（LG）模式的涡旋光束。该涡旋光束随后用作频率转换的泵浦源，乐成地将OAM转移到221nm及193nm激光器中，乐成地孕育发生携带OAM的30mW的221nm激光及3mW的193nm激光。

高斯模式、LG模式及由热电相机记载的155三、221及193nm激光器的涡旋光束的衍射图案。

这是初次从固态激光器中实现193nm涡旋光束的天生。这类涡旋光束不仅能对于微纳颗粒施加扭矩，宛如用光打造的 镊子 ，精准操控纳米级物体，更于半导体系体例造范畴具备深远意义。现有的光刻机利用平面波激光，暴光时受限在衍射极限，而涡旋光束依附其环形强度漫衍，理论上可以使特性尺寸缩小约30%。

总之，该团队近两年的事情乐成地实现了窄线宽、高相关性、高光束质量的193nm深紫外激光器，并初次实现了该波长的涡旋光孕育发生。若将该技能与ArF准份子放年夜器联合，可为半导体系体例造带来庞大冲破。

参考文献和试验相干图片来历：

High-power, narrow linewidth solid-state deep ultraviolet laser generation at 193 nm by frequency mixing in LBO crystals by Zhitao Zhang, Hanghang Yu, Sheng Chen, Zheng li, Xiaobo Heng, and Hongwen Xuan, Advanced Photonics Nexus, 2024, 3(2).

DOI: 10.1117/1.APN.3.2.026012

Compact narrow-linewidth solid-state 193-nm pulsed laser source utilizing an optical parametric amplifier and its vortex beam generation by Zhitao Zhang, Xiaobo Heng, Junwu Wang, Sheng Chen, Xiaojie Wang, Chen Tong, Zheng Li, and Hongwen Xuan, Advanced Photonics Nexus, 2025, 4(2).

DOI: 10.1117/1.APN.4.2.026011

转自：海松光电科技

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