Zhitao Zhang, Hanghang Yu, Sheng Chen, Zheng Li, Xiaobo Heng, Hongwen Xuan. High-power, narrow linewidth solid-state deep ultraviolet laser generation at 193 nm by frequency mixing in LBO crystals[J]. Advanced Photonics Nexus, 2024, 3(2): 026012
深紫外（DUV）激光光源广泛应用于光刻、晶圆缺陷检测、光谱学等应用中。ArF准分子激光器作为传统的193 nm激光光源，结合多重曝光技术，已在DUV光刻中发挥了重要作用，也是目前主流的光刻光源之一。固体激光光源可以实现窄线宽的单纵模运转，并且具备良好的光束质量。例如，窄线宽固体193 nm激光种子注入高增益特性的准分子放大器，可实现高相干性、高平均功率的深紫外193 nm激光输出。该混合ArF放大激光可在干涉光刻、深紫外激光加工等方面发挥独特作用。
以近红外激光作为基频、在非线性光学晶体中进行非线性频率变换，是目前实现固体DUV激光的主要方法。如在
六硼酸铯锂（
CLBO）晶体中，已获得最高平均输出功率达到1 W的全固体193 nm激光输出。但CLBO晶体极易潮解，通常需加热至150℃以上，使用条件严苛，成本昂贵。
三硼酸锂（
LBO
）晶体是我国发明的重要非线性光学晶体之一，已经是
一种价格便宜、技术成熟的商业化晶体。LBO晶体在深紫外、紫外波段同样具备良好的透过率和较高的有效非线性系数，且其不易潮解，在使用LBO晶体过程中不需要额外的温度控制。相同条件下，其走离效应比CLBO晶体更小，可保证输出激光具有更好的光束质量。LBO可生长、切割为更大的尺寸（如150×150×10 mm
3
）。因此，LBO晶体具有支持更短波长（180 nm以下）、更高功率/能量的固体深紫外激光产生的潜力。
近日，
广东大湾区空天信息研究院玄洪文研究员课题组
通过LBO晶体首次实现了平均功率60 mW、高光束质量、窄线宽的193 nm深紫外激光。相关研究工作以“
High-power, narrow-linewidth solid-state deep ultraviolet laser generation at 193 nm by frequency mixing in LBO crystals
”为题发表于
Advanced Photonics Nexus
2024年第2期。
该团队首先自主搭建了Yb:YAG块材料晶体高功率放大激光(1030 nm)和掺铒光纤放大激光(1553 nm)。其后通过LBO及CLBO晶体获得了1030 nm激光的四倍频258 nm激光，再与1553 nm脉冲激光和频；最后通过两级级联的LBO晶体，实现了平均功率60 mW、高光束质量的193 nm激光。实验装置如图1所示。
图1 193 nm深紫外激光实验装置示意图
图2展示了在LBO晶体的和频过程中产生221 nm和193 nm激光的输出功率和转换效率。其中，221 nm激光最高输出平均功率为220 mW，对应转换效率为10.9%；193 nm激光输出功率最高可达60 mW，是目前通过LBO晶体产生的193 nm激光的最高功率，对应的221 ~193 nm激光转换效率为27%。
图2 LBO晶体中（a）221 nm和（b）193 nm输出功率和转换效率
图3则是通过狭缝扫描干涉仪测量了193 nm激光产生过程中出现的258 nm（图3a）和221 nm（图3b）激光的光束质量。由于基频光源本身具备较好的光束质量以及LBO晶体较低的“走离效应”，因此其光束质量仍能保持小于1.3。
