深紫外（DUV）相干光源在光刻、缺陷檢測、計量學和光譜學等諸多領域具有極其重要的應用價值。傳統193nm氟化氬（ArF）準分子高功率激光一直是光刻領域構成高精度圖案化系統的核心部分。

然而，由于其原理固有的較低相干性（多模振蕩導致較大的M^2值以及10-100GHz的較寬譜寬），在一定程度上也限制了其在諸如干涉光刻等需要高分辨率圖案的應用。

為實現干涉所需的相干長度，193nm種子激光的線寬必須被嚴格控制在4GHz以下，而固態激光器能夠輕松滿足這一要求。

“混合ArF準分子激光器”的概念應運而生。通過用窄線寬的193nm固態種子激光器取代ArF激光振蕩器，沿用用于功率增強的ArF準分子放大器。這一創新技術顯著提升了激光相干性和線寬穩定性,優化了高通量干涉光刻的性能，提高了圖案的精度以及光刻的速度。

193nm深紫外激光由級聯LBO晶體產生。

此外，混合ArF準分子激光器憑借其高光子能量和優異的相干性，能夠直接加工多種包括碳化合物的固體材料，且熱影響極小。這種多功能性充分展現了混合ArF準分子激光器在從光刻到激光加工等多個領域的應用潛力。

中國科學院的研究人員在2024年取得的突破推動了這一領域的發展。據《Advanced Photonics Nexus》報道，他們利用三硼酸鋰（LBO）進行雙級聯和頻（SFG）過程，實現了193nm、60mW的窄線寬固態深紫外激光輸出。

實驗中，研究人員首先自主搭建了1030nm波長的Yb:YAG晶體高功率放大器和1553nm波長的摻鉺光纖放大器作為基礎激光源，使用LBO晶體將14.6W的1030nm脈沖激光倍頻（SHG）產生了10W的515nm綠光脈沖，隨后用硼酸銫鋰（CLBO）晶體產生了2W的258nm四倍頻（FHG）深紫外激光。產生的258nm激光再與1553nm激光通過兩個LBO晶體共線級聯和頻（SFG）過程實現了193nm的激光輸出。兩個階段的SFG過程通常是分開的，為簡化設置，研究人員采用了共線級聯方案：

第一階段SFG在相位匹配類型Ⅱ [1553nm(o)+258nm(e)→221nm(o)]條件下產生221nm激光；第二階段SFG在相位匹配類型Ⅰ [1553nm(o)+221nm(o)→193nm(e)]條件下產生193nm激光。221nm激光和第一階段SFG的剩余1553nm激光的偏振態滿足第二階段SFG的I型相位匹配條件，因此兩個LBO晶體可以串聯放置。

193nm激光系統的實驗裝置。

該成果實現了卓越的轉換效率。最后一級221nm到193nm的轉換效率高達27%，如果從258nm計算的話轉換到193nm的效率也達到了3%。這項研究突顯了LBO晶體在產生從幾百毫瓦到瓦級功率的深紫外激光方面的巨大潛力，并為探索其他深紫外激光波長開辟了道路。

隨后在2025年3月，《Advanced Photonics Nexus》又報道了該團隊利用光學參量放大器和渦旋光束生成的緊湊型窄線寬固態193nm脈沖激光源的新進展。

實驗中，研究團隊在上述研究的基礎上改進了1553nm脈沖激光源。他們用實驗中的1030nm Yb:YAG放大器泵浦周期性極化鈮酸鋰（PPLN）光學參量放大器（OPA）獲得1553nm激光脈沖。用OPA取代摻鉺光纖放大器使系統結構更加緊湊，激光脈沖相對噪聲更小，輸出功率也從600mW提升到了700mW。

1553nm脈沖激光源由兩級OPA構成，第一級OPA由單頻分布式反饋（DFB）連續波半導體激光器作為種子光以及Yb:YAG晶體放大器產生的700mW的1030nm激光作泵浦，通過PPLN晶體實現48mW的1553nm激光放大。隨后放大的1553nm激光再與3W的1030nm激光合束通過第二塊PPLN晶體進一步放大，獲得700mW的1553nm激光。

1553nm的OPA實驗裝置。

在該實驗中，9W Yb:YAG放大器的脈沖光經過SHG和FHG過程依次實現5.6W的515nm激光和1.2W的258nm激光。

繼續采用前述共線級聯SFG方案，為彌補258nm激光功率較之前降低的情況，選擇更長的LBO晶體，獲得了270 mW的221nm和70mW的193nm激光輸出。此193nm激光脈沖的線寬小于880MHz，可作為種子源輸入到ArF準分子放大器進行繼續放大以獲得幾十瓦到上百瓦平均功率的窄線寬混合ArF激光系統。

為探索新應用，研究團隊還通過在1553nm光束頻率混合前引入螺旋相位板，生成了一束攜帶軌道角動量（OAM）的拉蓋爾-高斯（LG）模式的渦旋光束。該渦旋光束隨后用作頻率轉換的泵浦源，成功地將OAM轉移到221nm和193nm激光器中，成功地產生攜帶OAM的30mW的221nm激光和3mW的193nm激光。

高斯模式、LG模式和由熱電相機記錄的1553、221和193nm激光器的渦旋光束的衍射圖案。

這是首次從固態激光器中實現193nm渦旋光束的生成。這種渦旋光束不僅能對微納顆粒施加扭矩，宛如用光打造的“鑷子”，精準操控納米級物體，更在半導體制造領域具有深遠意義。現有的光刻機使用平面波激光，曝光時受限于衍射極限，而渦旋光束憑借其環形強度分布，理論上可使特征尺寸縮小約30%。

總之，該團隊近兩年的工作成功地實現了窄線寬、高相干性、高光束質量的193nm深紫外激光器，并首次實現了該波長的渦旋光產生。若將該技術與ArF準分子放大器結合，可為半導體制造帶來重大突破。