我国研发新型混合型ArF准分子激光器，突破光刻技术瓶颈

我国研发新型混合型ArF准分子激光器，突破光刻技术瓶颈

中国科学院研究团队成功研发出一种新型混合型ArF准分子激光器，该激光器在193纳米波长下具有窄线宽和高相干度特性，为光刻等精密制造领域带来了新的技术突破。

氩氟化物（ArF）准分子激光器是一种发射193纳米波长的深紫外（DUV）激光器，用于光刻制造精确的图案。然而，传统ArF准分子激光器的有限相干性限制了其在需要高分辨率图案的应用中的有效性，例如干涉光刻。

为了在干涉光刻和其他应用中产生高相干的DUV，中国科学院的研究人员开发了一种混合型ArF准分子激光器，可在193纳米处提供窄线宽和高相干度。在混合型ArF准分子激光器中，将ArF振荡器替换为窄线宽、固态的193纳米激光种子。这种激光种子具有良好的光束质量，提高了混合型ArF准分子激光系统的相干度，并保持了高输出功率。

中国科学院的研究人员开发了一种由级联三硼酸锂晶体产生的193纳米DUV激光器。

混合型ArF准分子激光器的强化光子能量和相干度有助于对各种材料进行直接处理，包括碳化合物和固体，且对热影响最小。这种多功能性可以将混合型ArF准分子激光器的应用范围扩展到从光刻到激光加工的各种应用中。

基于固态激光器构建DUV光源的传统方式是通过使用固体激光或光纤激光器作为泵浦光源，从NIR进行多级频率转换。除了泵浦激光器外，还使用非线性光学晶体来实现可靠且经济的DUV光源。

研究人员开发的193纳米激光器基于锂三硼酸盐（LBO）非线性晶体中的两级串级和频产生，其位于镱（Er）掺杂光纤激光器和钇镓石榴石（Yb）混合激光器之间。这种低成本、低复杂度的LBO晶体被认为是用于工业应用的193纳米激光器的良好选择。

193纳米、窄线宽、纳秒脉冲激光的泵浦光由两个主动同步脉冲激光器产生。泵浦激光器分别为258纳米和1553纳米，分别源自使用四次谐波产生的定制Yb混合激光器和掺镱光纤激光器。用于功率扩展的2毫米×2毫米×30毫米的Yb：YAG块晶体完成了设置。

激光在193纳米和221纳米处的最大输出功率分别为60毫瓦和220毫瓦。据研究人员了解，这种193纳米DUV激光器在LBO晶体中通过频率混合实现的平均功率是迄今报道的193纳米和221纳米激光器中最高的。团队表示，221纳米到193纳米的转换效率为27%，258纳米到193纳米的转换效率为3%，这是迄今使用LBO报道的最高DUV转换效率。

193纳米激光的脉冲持续时间为4.6纳秒，重复频率为6千赫兹（kHz），对应脉冲能量为10微焦。研究团队表示，193纳米激光的线宽估计约为640兆赫兹，这是迄今报道的使用LBO晶体的固态脉冲激光中线宽最窄的。

激光输出适用于用于产生高相干DUV的ArF准分子放大器的种子激光。尽管LBO晶体在DUV区域具有较小的非线性系数，但通过增加交互长度，它可以长大并裁剪到较大尺寸，同时仍保持低成本。

宣洪文教授表示，研究结果证实了使用固态激光器泵浦LBO以实现可靠、有效地产生193纳米窄线宽激光的可行性。这些结果可能为使用LBO制造高效、高功率的经济型DUV激光系统提供方法。该研究显示了LBO晶体在产生功率从几百毫瓦到瓦级的DUV激光器方面的潜力，并可能鼓励探索使用LBO产生其他DUV波长激光器的应用。

DUV区域的相干光源除了光刻外，还用于缺陷检测、计量和光谱学。中国科学院的193纳米DUV激光器推动了DUV激光技术的界限，可能使许多科学和工业领域的应用受益。