深紫外（DUV）相干光源在光刻、缺陷检测、计量学和光谱学等诸多领域具有极其重要的应用价值。传统193nm氟化氩（ArF）准分子高功率激光一直是光刻领域构成高精度图案化系统的核心部分。

然而，由于其原理固有的较低相干性（多模振荡导致较大的M^2值以及10-100GHz的较宽谱宽），在一定程度上也限制了其在诸如干涉光刻等需要高分辨率图案的应用。

为实现干涉所需的相干长度，193nm种子激光的线宽必须被严格控制在4GHz以下，而固态激光器能够轻松满足这一要求。

“混合ArF准分子激光器”的概念应运而生。通过用窄线宽的193nm固态种子激光器取代ArF激光振荡器，沿用用于功率增强的ArF准分子放大器。这一创新技术显著提升了激光相干性和线宽稳定性,优化了高通量干涉光刻的性能，提高了图案的精度以及光刻的速度。

此外，混合ArF准分子激光器凭借其高光子能量和优异的相干性，能够直接加工多种包括碳化合物的固体材料，且热影响极小。这种多功能性充分展现了混合ArF准分子激光器在从光刻到激光加工等多个领域的应用潜力。

中国科学院的研究人员在2024年取得的突破推动了这一领域的发展。据《Advanced Photonics Nexus》报道，他们利用三硼酸锂（LBO）进行双级联和频（SFG）过程，实现了193nm、60mW的窄线宽固态深紫外激光输出。

实验中，研究人员首先自主搭建了1030nm波长的Yb:YAG晶体高功率放大器和1553nm波长的掺铒光纤放大器作为基础激光源，使用LBO晶体将14.6W的1030nm脉冲激光倍频（SHG）产生了10W的515nm绿光脉冲，随后用硼酸铯锂（CLBO）晶体产生了2W的258nm四倍频（FHG）深紫外激光。产生的258nm激光再与1553nm激光通过两个LBO晶体共线级联和频（SFG）过程实现了193nm的激光输出。两个阶段的SFG过程通常是分开的，为简化设置，研究人员采用了共线级联方案：

第一阶段SFG在相位匹配类型Ⅱ [1553nm(o)+258nm(e)→221nm(o)]条件下产生221nm激光；第二阶段SFG在相位匹配类型Ⅰ [1553nm(o)+221nm(o)→193nm(e)]条件下产生193nm激光。221nm激光和第一阶段SFG的剩余1553nm激光的偏振态满足第二阶段SFG的I型相位匹配条件，因此两个LBO晶体可以串联放置。

193nm激光系统的实验装置。

该成果实现了卓越的转换效率。最后一级221nm到193nm的转换效率高达27%，如果从258nm计算的话转换到193nm的效率也达到了3%。这项研究突显了LBO晶体在产生从几百毫瓦到瓦级功率的深紫外激光方面的巨大潜力，并为探索其他深紫外激光波长开辟了道路。

随后在2025年3月，《Advanced Photonics Nexus》又报道了该团队利用光学参量放大器和涡旋光束生成的紧凑型窄线宽固态193nm脉冲激光源的新进展。

实验中，研究团队在上述研究的基础上改进了1553nm脉冲激光源。他们用实验中的1030nm Yb:YAG放大器泵浦周期性极化铌酸锂（PPLN）光学参量放大器（OPA）获得1553nm激光脉冲。用OPA取代掺铒光纤放大器使系统结构更加紧凑，激光脉冲相对噪声更小，输出功率也从600mW提升到了700mW。

1553nm脉冲激光源由两级OPA构成，第一级OPA由单频分布式反馈（DFB）连续波半导体激光器作为种子光以及Yb:YAG晶体放大器产生的700mW的1030nm激光作泵浦，通过PPLN晶体实现48mW的1553nm激光放大。随后放大的1553nm激光再与3W的1030nm激光合束通过第二块PPLN晶体进一步放大，获得700mW的1553nm激光。

1553nm的OPA实验装置。

在该实验中，9W Yb:YAG放大器的脉冲光经过SHG和FHG过程依次实现5.6W的515nm激光和1.2W的258nm激光。

继续采用前述共线级联SFG方案，为弥补258nm激光功率较之前降低的情况，选择更长的LBO晶体，获得了270 mW的221nm和70mW的193nm激光输出。此193nm激光脉冲的线宽小于880MHz，可作为种子源输入到ArF准分子放大器进行继续放大以获得几十瓦到上百瓦平均功率的窄线宽混合ArF激光系统。

为探索新应用，研究团队还通过在1553nm光束频率混合前引入螺旋相位板，生成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，成功地将OAM转移到221nm和193nm激光器中，成功地产生携带OAM的30mW的221nm激光和3mW的193nm激光。

高斯模式、LG模式和由热电相机记录的1553、221和193nm激光器的涡旋光束的衍射图案。

这是首次从固态激光器中实现193nm涡旋光束的生成。这种涡旋光束不仅能对微纳颗粒施加扭矩，宛如用光打造的“镊子”，精准操控纳米级物体，更在半导体制造领域具有深远意义。现有的光刻机使用平面波激光，曝光时受限于衍射极限，而涡旋光束凭借其环形强度分布，理论上可使特征尺寸缩小约30%。

总之，该团队近两年的工作成功地实现了窄线宽、高相干性、高光束质量的193nm深紫外激光器，并首次实现了该波长的涡旋光产生。若将该技术与ArF准分子放大器结合，可为半导体制造带来重大突破。

参考文献及实验相关图片来源：

“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

转自：海松光电科技

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