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(mǎn)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。
193nm深紫外激光由級(jí)聯(lián)LBO晶體產(chǎn)生。
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(lèi)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(lèi)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(mǎn)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(huà)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。
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