高功率高稳定极紫外高次谐波光源

封面展示了基于高次谐波（HHG）技术的13.5 nm极紫外光源及其在芯片缺陷检测领域的应用。通过紧聚焦飞秒激光脉冲在稀有气体靶中激发产生的高次谐波，可获得低成本、小型化的相干极紫外（EUV）和软X射线激光光源。得益于极宽的光谱范围和飞秒至阿秒级的脉冲宽度，HHG光源可用于纳米级空间尺度和阿秒级时间尺度上的各类原子、分子与材料的超快动力学研究。

一、研究背景

微观尺度超快动力学研究需要短波长、短脉冲和高相干度的激光光源，这正是高次谐波（HHG）光源的优势。此外，许多重要元素（如Cr、Mn、Ni、Co、Fe、Al 和Si）在10~20 nm光谱范围内都具有很强的特征吸收边，因此该光谱范围的光源也成为研究纳米材料、半导体材料和量子器件的重要工具。随着极紫外（EUV）光刻机技术的成功实现和推广，该光谱范围中的13.5 nm 光源在半导体领域中的应用尤为重要。目前，用于极紫外光刻的13.5 nm光源主要以放电或者激光等离子体产生的大发散角度非相干光源为主。然而，此类光源存在等离子污染问题，会影响光学器件的耐久性和稳定性，增加了系统的维护成本。而同步辐射和自由电子激光产生的13.5 nm光源成本高、获取困难，不利于大规模推广应用。

为进一步推动国内13.5 nm 极紫外光源的相关研究与应用，本研究基于高次谐波技术在10~20 nm 光谱范围内产生了较高功率和相干度的 EUV 激光，推动了小型化相干13.5 nm光源的工程化落地。

二、创新研究

中国科学院空天信息创新研究院极紫外课题组使用钛宝石激光器作为驱动光源，基于充气空芯光波导开发了10~40 nm 的高稳定度高次谐波激光光源，实验装置如图1所示。所使用的钛宝石光源产生中心波长800 nm、单脉冲能量最高3 mJ、脉冲宽度为30 fs、重复频率为3 kHz的飞秒激光。将此驱动光源聚焦耦合进填充稀有气体的空芯光波导中，获得极紫外高次谐波。用一对用于掠入射条件下的条形反射镜衰减近红外驱动激光，并使用金属膜隔离残余的驱动激光，获得纯净的极紫外激光。

图1 实验装置示意图。（a）钛宝石光源系统；（b）光束稳定控制系统；（c）EUV 发生及过滤系统；（d）EUV 光源检测及光谱仪系统

课题组使用氦气作为反应气体，在光源产生处10~20 nm 光谱范围总平均功率达到1.9 μW。当使用氩气作为反应气体，在光源产生处17~35 nm 的光谱范围获得了120 μW 的总平均功率。该系统使用了光束指向稳定装置并进行了工程化设计，实现12个小时的极紫外谐波输出平均功率波动小于4.3％的高稳定性，达到了先进水平。

该光源系统使用双光学器件、无像差、平面光谱仪进行光谱分析，测量了不同金属过滤膜后的谐波光谱，并成功在13.5 nm波长附近获得了高的衍射效率和点对点的成像模式，结合单色仪模块的使用可获得低像差的单个13.5 nm谐波源。

三、总结与展望

该系统具有低成本、小型化的优势，能够承担部分同步辐射和自由电子激光器等大型先进光源的工作，有望在纳米或量子材料研发等领域获得应用推广。利用高次谐波源的高空间分辨率优势，结合相干衍射成像技术，拓展到微纳领域快速成像，也可为生物医疗、半导体晶圆缺陷检测提供新的技术手段。

参考文献： 中国光学期刊网

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