在科學和技術領域，利用深紫外（DUV）區域的相幹光源在光刻、缺陷檢測、計量和光譜學等各種應用中具有重要意義(yi) 。傳(chuan) 統上，高功率 193 nm 激光器在光刻技術中起著舉(ju) 足輕重的作用，是精密圖形係統不可或缺的組成部分。然而，傳(chuan) 統 ArF 準分子激光器的相幹性限製阻礙了其在幹涉光刻等需要高分辨率圖案的應用中的有效性。

混合 ArF 準分子激光器的概念應運而生。將窄線寬固體(ti) 193 nm 激光種子源集成到 ArF 振蕩器中，在實現窄線寬的同時增強了相幹性，從(cong) 而提高了高通量幹涉光刻的性能。這一創新不僅(jin) 提高了圖案精度，還加快了光刻速度。此外，混合 ArF 準分子激光器的高光子能量和相幹性有助於(yu) 直接加工各種材料，包括碳化合物和固體(ti) ，同時將熱影響降至最低。這種多功能性凸顯了它在從(cong) 光刻到激光加工等多個(ge) 領域的潛力。

中國科學院的研究人員開發了一種由級聯三硼酸鋰晶體(ti) 產(chan) 生的193納米DUV激光器。

要優(you) 化 ArF 放大器的種子激光，必須嚴(yan) 格控製 193 nm 種子激光的線寬，最好低於(yu) 4 GHz 。該規範規定了對幹涉至關(guan) 重要的相幹長度，而固態激光技術很容易滿足這一標準。

中國科學院廣東(dong) 大灣區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域的發展。據《Advanced Photonics Nexus》報道，他們(men) 采用 LBO 晶體(ti) 的複雜兩(liang) 級和頻產(chan) 生過程，實現了 193 nm 窄線寬 60 mW 的固態 DUV 激光器。該過程涉及波長分別為(wei) 1030 nm 和 1553 nm 的泵浦激光器，它們(men) 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(ti) 進行功率擴展，取得了令人矚目的成果。

圖1：193 nm 激光係統的實驗裝置。SHG：二次諧波發生；FHG：四次諧波發生；SFG：和頻發生；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：張誌韜 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 摻鐿混合脈衝(chong) 激光器的實驗裝置。AOM，聲光調製器；ISO，隔離器；PCF，光子晶體(ti) 光纖；PBS，偏振分束器；QW，四分之一波片。資料來源：張誌韜 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(chan) 生的 193 nm DUV 激光及其伴隨的 221 nm 激光的平均功率為(wei) 60 mW，脈衝(chong) 持續時間為(wei) 4.6 ns ，重複頻率為(wei) 6 kHz ，線寬約為(wei) 640 MHz 。值得注意的是，這標誌著由 LBO 晶體(ti) 產(chan) 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(ti) 中第一個(ge) 和第二個(ge) SFG 產(chan) 生的 (a) 221 nm 激光和 (b) 193 nm 激光的輸出平均功率分別與(yu) 258 nm 和 221 nm 激光的泵浦平均功率的函數關(guan) 係。資料來源：張誌韜 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 激光的脈衝(chong) 持續時間。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：張誌韜 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換效率：221 nm 到 193 nm 的轉換效率為(wei) 27%，258 nm到 193 nm的轉換效率為(wei) 3%，為(wei) 效率值設定了新的基準。這項研究強調了 LBO 晶體(ti) 在產(chan) 生功率級別從(cong) 數百毫瓦到瓦的 DUV 激光方麵的巨大潛力，為(wei) 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(nei) 的功率穩定性。資料來源：張誌韜 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(ti) 激光器泵浦 LBO 以可靠有效地產(chan) 生 193 nm 窄線寬激光的可行性，並為(wei) 利用 LBO 製造高性價(jia) 比、高功率 DUV 激光係統開辟了一條新途徑。這些進步不僅(jin) 推動了 DUV 激光技術的發展，而且有望徹底改變科學和工業(ye) 領域的無數應用。