在科学和技术领域，利用深紫外（DUV）区域的相干光源在光刻、缺陷检测、计量和光谱学等各种应用中具有重要意义。传统上，高功率 193 nm 激光器在光刻技术中起着举足轻重的作用，是精密图形系统不可或缺的组成部分。然而，传统 ArF 准分子激光器的相干性限制阻碍了其在干涉光刻等需要高分辨率图案的应用中的有效性。

混合 ArF 准分子激光器的概念应运而生。将窄线宽固体 193 nm 激光种子源集成到 ArF 振荡器中，在实现窄线宽的同时增强了相干性，从而提高了高通量干涉光刻的性能。这一创新不仅提高了图案精度，还加快了光刻速度。此外，混合 ArF 准分子激光器的高光子能量和相干性有助于直接加工各种材料，包括碳化合物和固体，同时将热影响降至最低。这种多功能性凸显了它在从光刻到激光加工等多个领域的潜力。

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。

要优化 ArF 放大器的种子激光，必须严格控制 193 nm 种子激光的线宽，最好低于 4 GHz 。该规范规定了对干涉至关重要的相干长度，而固态激光技术很容易满足这一标准。

中国科学院广东大湾区空天信息研究院研究人员最近取得的一项突破推动了这一领域的发展。据《Advanced Photonics Nexus》报道，他们采用 LBO 晶体的复杂两级和频产生过程，实现了 193 nm 窄线宽 60 mW 的固态 DUV 激光器。该过程涉及波长分别为 1030 nm 和 1553 nm 的泵浦激光器，它们分别来自掺镱混合激光器和掺铒光纤激光器。该装置采用 2mm×2mm×30mm Yb:YAG 块状晶体进行功率扩展，取得了令人瞩目的成果。

图1：193 nm 激光系统的实验装置。SHG：二次谐波发生；FHG：四次谐波发生；SFG：和频发生；DM1：AR@515 nm/HR@258 nm 二向色镜；DM2：HR@258 nm/AR@1553 nm 二向色镜。资料来源：张志韬 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）。

图2：1030 nm 掺镱混合脉冲激光器的实验装置。AOM，声光调制器；ISO，隔离器；PCF，光子晶体光纤；PBS，偏振分束器；QW，四分之一波片。资料来源：张志韬 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）。

所产生的 193 nm DUV 激光及其伴随的 221 nm 激光的平均功率为 60 mW，脉冲持续时间为 4.6 ns ，重复频率为 6 kHz ，线宽约为 640 MHz 。值得注意的是，这标志着由 LBO 晶体产生的 193 nm 和 221 nm 激光的最高输出功率，以及 193 nm激光的最窄线宽。

图3：LBO 晶体中第一个和第二个 SFG 产生的 (a) 221 nm 激光和 (b) 193 nm 激光的输出平均功率分别与 258 nm 和 221 nm 激光的泵浦平均功率的函数关系。资料来源：张志韬 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）。

图4：(a) 生成的 193 nm 激光的脉冲持续时间。插图：193 nm 激光的光束轮廓。测量到的 (b) 258 nm 激光和 (c) 221 nm 激光的光束轮廓。资料来源：张志韬 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）。

特别值得注意的是所取得的出色转换效率：221 nm 到 193 nm 的转换效率为 27%，258 nm到 193 nm的转换效率为 3%，为效率值设定了新的基准。这项研究强调了 LBO 晶体在产生功率级别从数百毫瓦到瓦的 DUV 激光方面的巨大潜力，为探索其他 DUV 激光波长开辟了道路。

图5：free-running下193 nm激光器在 1500 秒内的功率稳定性。资料来源：张志韬 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）。

据该研究的通讯作者玄洪文教授介绍：报告中的研究证明了用固体激光器泵浦 LBO 以可靠有效地产生 193 nm 窄线宽激光的可行性，并为利用 LBO 制造高性价比、高功率 DUV 激光系统开辟了一条新途径。这些进步不仅推动了 DUV 激光技术的发展，而且有望彻底改变科学和工业领域的无数应用。