研究人員利用LBO晶體開發(fā)出波長為193納米的60毫瓦固態(tài)DUV激光器，為效率值設(shè)定了新基準。

在科學和技術(shù)領(lǐng)域，利用深紫外（DUV）區(qū)域的相干光源對光刻、缺陷檢測、計量和光譜學等各種應(yīng)用具有重大意義。傳統(tǒng)上，高功率 193 納米（nm）激光器在光刻技術(shù)中起著舉足輕重的作用，是精確圖案化系統(tǒng)不可或缺的組成部分。然而，傳統(tǒng) ArF 準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。

級聯(lián) LBO 晶體產(chǎn)生的193nm DUV激光器

混合 ArF 準分子激光技術(shù)

“混合 ArF 準分子激光器”的概念應(yīng)運而生。將窄線寬 193nm 固體激光種子集成到 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 準分子激光器增強的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不同領(lǐng)域的潛力。

固體 DUV 激光發(fā)生器的進步

要優(yōu)化 ArF 放大器的種子激光，必須嚴格控制 193 納米種子激光的線寬，最好低于4千兆赫（GHz）。這一規(guī)格決定了干擾所需的相干長度，而固態(tài)激光技術(shù)很容易滿足這一標準。

中國科學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)《先進光子學》（Advanced Photonics Nexus）雜志報道，他們利用采用 LBO 晶體的復雜兩級和頻發(fā)生過程，在 193 納米波長實現(xiàn)了 60 毫瓦（mW）固態(tài) DUV 激光器，而且線寬很窄。該過程涉及波長分別為 258 納米和 1553 納米的泵浦激光器，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 塊狀晶體進行功率擴展，取得了令人矚目的成果。

生成的 DUV 激光器及其 221nm 對應(yīng)激光器的平均功率為 60 mW，脈沖持續(xù)時間為 4.6 納秒 (ns)，重復頻率為 6 千赫茲 (kHz)，線寬約為 640 兆赫茲 (MHz)。值得注意的是，這標志著由 LBO 晶體產(chǎn)生的 193 納米和 221 納米激光的最高輸出功率，以及 193 納米激光的最窄線寬。

尤其值得注意的是所實現(xiàn)的出色轉(zhuǎn)換效率：從 221 納米到 193 納米的轉(zhuǎn)換效率為 27%，從 258 納米到 193 納米的轉(zhuǎn)換效率為 3%，為效率值設(shè)定了新的基準。這項研究強調(diào)了 LBO 晶體在產(chǎn)生功率級別從數(shù)百毫瓦到瓦特的 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。

據(jù)這項工作的通訊作者Hongwen Xuan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 納米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”。

這些進展不僅推動了 DUV 激光技術(shù)的發(fā)展，而且有望徹底改變科學和工業(yè)領(lǐng)域的無數(shù)應(yīng)用。

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論文鏈接：https://doi.org/10.1117/1.APN.3.2.026012