深紫外（DUV）相干光源在光刻、缺陷檢測(cè)、計(jì)量學(xué)和光譜學(xué)等諸多領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)193nm氟化氬（ArF）準(zhǔn)分子高功率激光一直是光刻領(lǐng)域構(gòu)成高精度圖案化系統(tǒng)的核心部分。

然而，由于其原理固有的較低相干性（多模振蕩導(dǎo)致較大的M^2值以及10-100GHz的較寬譜寬），在一定程度上也限制了其在諸如干涉光刻等需要高分辨率圖案的應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)干涉所需的相干長(zhǎng)度，193nm種子激光的線寬必須被嚴(yán)格控制在4GHz以下，而固態(tài)激光器能夠輕松滿足這一要求。

“混合ArF準(zhǔn)分子激光器”的概念應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)用窄線寬的193nm固態(tài)種子激光器取代ArF激光振蕩器，沿用用于功率增強(qiáng)的ArF準(zhǔn)分子放大器。這一創(chuàng)新技術(shù)顯著提升了激光相干性和線寬穩(wěn)定性,優(yōu)化了高通量干涉光刻的性能，提高了圖案的精度以及光刻的速度。

此外，混合ArF準(zhǔn)分子激光器憑借其高光子能量和優(yōu)異的相干性，能夠直接加工多種包括碳化合物的固體材料，且熱影響極小。這種多功能性充分展現(xiàn)了混合ArF準(zhǔn)分子激光器在從光刻到激光加工等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

中國(guó)科學(xué)院的研究人員在2024年取得的突破推動(dòng)了這一領(lǐng)域的發(fā)展。據(jù)《Advanced Photonics Nexus》報(bào)道，他們利用三硼酸鋰（LBO）進(jìn)行雙級(jí)聯(lián)和頻（SFG）過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了193nm、60mW的窄線寬固態(tài)深紫外激光輸出。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員首先自主搭建了1030nm波長(zhǎng)的Yb:YAG晶體高功率放大器和1553nm波長(zhǎng)的摻鉺光纖放大器作為基礎(chǔ)激光源，使用LBO晶體將14.6W的1030nm脈沖激光倍頻（SHG）產(chǎn)生了10W的515nm綠光脈沖，隨后用硼酸銫鋰（CLBO）晶體產(chǎn)生了2W的258nm四倍頻（FHG）深紫外激光。產(chǎn)生的258nm激光再與1553nm激光通過(guò)兩個(gè)LBO晶體共線級(jí)聯(lián)和頻（SFG）過(guò)程實(shí)現(xiàn)了193nm的激光輸出。兩個(gè)階段的SFG過(guò)程通常是分開(kāi)的，為簡(jiǎn)化設(shè)置，研究人員采用了共線級(jí)聯(lián)方案：

第一階段SFG在相位匹配類型Ⅱ [1553nm(o)+258nm(e)→221nm(o)]條件下產(chǎn)生221nm激光；第二階段SFG在相位匹配類型Ⅰ [1553nm(o)+221nm(o)→193nm(e)]條件下產(chǎn)生193nm激光。221nm激光和第一階段SFG的剩余1553nm激光的偏振態(tài)滿足第二階段SFG的I型相位匹配條件，因此兩個(gè)LBO晶體可以串聯(lián)放置。

193nm激光系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置。

該成果實(shí)現(xiàn)了卓越的轉(zhuǎn)換效率。最后一級(jí)221nm到193nm的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)27%，如果從258nm計(jì)算的話轉(zhuǎn)換到193nm的效率也達(dá)到了3%。這項(xiàng)研究突顯了LBO晶體在產(chǎn)生從幾百毫瓦到瓦級(jí)功率的深紫外激光方面的巨大潛力，并為探索其他深紫外激光波長(zhǎng)開(kāi)辟了道路。

隨后在2025年3月，《Advanced Photonics Nexus》又報(bào)道了該團(tuán)隊(duì)利用光學(xué)參量放大器和渦旋光束生成的緊湊型窄線寬固態(tài)193nm脈沖激光源的新進(jìn)展。

實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)在上述研究的基礎(chǔ)上改進(jìn)了1553nm脈沖激光源。他們用實(shí)驗(yàn)中的1030nm Yb:YAG放大器泵浦周期性極化鈮酸鋰（PPLN）光學(xué)參量放大器（OPA）獲得1553nm激光脈沖。用OPA取代摻鉺光纖放大器使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，激光脈沖相對(duì)噪聲更小，輸出功率也從600mW提升到了700mW。

1553nm脈沖激光源由兩級(jí)OPA構(gòu)成，第一級(jí)OPA由單頻分布式反饋（DFB）連續(xù)波半導(dǎo)體激光器作為種子光以及Yb:YAG晶體放大器產(chǎn)生的700mW的1030nm激光作泵浦，通過(guò)PPLN晶體實(shí)現(xiàn)48mW的1553nm激光放大。隨后放大的1553nm激光再與3W的1030nm激光合束通過(guò)第二塊PPLN晶體進(jìn)一步放大，獲得700mW的1553nm激光。

1553nm的OPA實(shí)驗(yàn)裝置。

在該實(shí)驗(yàn)中，9W Yb:YAG放大器的脈沖光經(jīng)過(guò)SHG和FHG過(guò)程依次實(shí)現(xiàn)5.6W的515nm激光和1.2W的258nm激光。

繼續(xù)采用前述共線級(jí)聯(lián)SFG方案，為彌補(bǔ)258nm激光功率較之前降低的情況，選擇更長(zhǎng)的LBO晶體，獲得了270 mW的221nm和70mW的193nm激光輸出。此193nm激光脈沖的線寬小于880MHz，可作為種子源輸入到ArF準(zhǔn)分子放大器進(jìn)行繼續(xù)放大以獲得幾十瓦到上百瓦平均功率的窄線寬混合ArF激光系統(tǒng)。

為探索新應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)在1553nm光束頻率混合前引入螺旋相位板，生成了一束攜帶軌道角動(dòng)量（OAM）的拉蓋爾-高斯（LG）模式的渦旋光束。該渦旋光束隨后用作頻率轉(zhuǎn)換的泵浦源，成功地將OAM轉(zhuǎn)移到221nm和193nm激光器中，成功地產(chǎn)生攜帶OAM的30mW的221nm激光和3mW的193nm激光。

高斯模式、LG模式和由熱電相機(jī)記錄的1553、221和193nm激光器的渦旋光束的衍射圖案。

這是首次從固態(tài)激光器中實(shí)現(xiàn)193nm渦旋光束的生成。這種渦旋光束不僅能對(duì)微納顆粒施加扭矩，宛如用光打造的“鑷子”，精準(zhǔn)操控納米級(jí)物體，更在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)意義。現(xiàn)有的光刻機(jī)使用平面波激光，曝光時(shí)受限于衍射極限，而渦旋光束憑借其環(huán)形強(qiáng)度分布，理論上可使特征尺寸縮小約30%。

總之，該團(tuán)隊(duì)近兩年的工作成功地實(shí)現(xiàn)了窄線寬、高相干性、高光束質(zhì)量的193nm深紫外激光器，并首次實(shí)現(xiàn)了該波長(zhǎng)的渦旋光產(chǎn)生。若將該技術(shù)與ArF準(zhǔn)分子放大器結(jié)合，可為半導(dǎo)體制造帶來(lái)重大突破。

參考文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)相關(guān)圖片來(lái)源：

“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

轉(zhuǎn)自：海松光電科技

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