封面展示了基于高次諧波（HHG）技術(shù)的13.5 nm極紫外光源及其在芯片缺陷檢測領(lǐng)域的應用。通過緊聚焦飛秒激光脈沖在稀有氣體靶中激發(fā)產(chǎn)生的高次諧波，可獲得低成本、小型化的相干極紫外（EUV）和軟X射線激光光源。得益于極寬的光譜范圍和飛秒至阿秒級的脈沖寬度，HHG光源可用于納米級空間尺度和阿秒級時間尺度上的各類原子、分子與材料的超快動力學研究。

一、研究背景

微觀尺度超快動力學研究需要短波長、短脈沖和高相干度的激光光源，這正是高次諧波（HHG）光源的優(yōu)勢。此外，許多重要元素（如Cr、Mn、Ni、Co、Fe、Al 和Si）在10~20 nm光譜范圍內(nèi)都具有很強的特征吸收邊，因此該光譜范圍的光源也成為研究納米材料、半導體材料和量子器件的重要工具。隨著極紫外（EUV）光刻機技術(shù)的成功實現(xiàn)和推廣，該光譜范圍中的13.5 nm 光源在半導體領(lǐng)域中的應用尤為重要。目前，用于極紫外光刻的13.5 nm光源主要以放電或者激光等離子體產(chǎn)生的大發(fā)散角度非相干光源為主。然而，此類光源存在等離子污染問題，會影響光學器件的耐久性和穩(wěn)定性，增加了系統(tǒng)的維護成本。而同步輻射和自由電子激光產(chǎn)生的13.5 nm光源成本高、獲取困難，不利于大規(guī)模推廣應用。

為進一步推動國內(nèi)13.5 nm 極紫外光源的相關(guān)研究與應用，本研究基于高次諧波技術(shù)在10~20 nm 光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生了較高功率和相干度的 EUV 激光，推動了小型化相干13.5 nm光源的工程化落地。

二、創(chuàng)新研究

中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院極紫外課題組使用鈦寶石激光器作為驅(qū)動光源，基于充氣空芯光波導開發(fā)了10~40 nm 的高穩(wěn)定度高次諧波激光光源，實驗裝置如圖1所示。所使用的鈦寶石光源產(chǎn)生中心波長800 nm、單脈沖能量最高3 mJ、脈沖寬度為30 fs、重復頻率為3 kHz的飛秒激光。將此驅(qū)動光源聚焦耦合進填充稀有氣體的空芯光波導中，獲得極紫外高次諧波。用一對用于掠入射條件下的條形反射鏡衰減近紅外驅(qū)動激光，并使用金屬膜隔離殘余的驅(qū)動激光，獲得純凈的極紫外激光。

圖1 實驗裝置示意圖。（a）鈦寶石光源系統(tǒng)；（b）光束穩(wěn)定控制系統(tǒng)；（c）EUV 發(fā)生及過濾系統(tǒng)；（d）EUV 光源檢測及光譜儀系統(tǒng)

課題組使用氦氣作為反應氣體，在光源產(chǎn)生處10~20 nm 光譜范圍總平均功率達到1.9 μW。當使用氬氣作為反應氣體，在光源產(chǎn)生處17~35 nm 的光譜范圍獲得了120 μW 的總平均功率。該系統(tǒng)使用了光束指向穩(wěn)定裝置并進行了工程化設(shè)計，實現(xiàn)12個小時的極紫外諧波輸出平均功率波動小于4.3％的高穩(wěn)定性，達到了先進水平。

該光源系統(tǒng)使用雙光學器件、無像差、平面光譜儀進行光譜分析，測量了不同金屬過濾膜后的諧波光譜，并成功在13.5 nm波長附近獲得了高的衍射效率和點對點的成像模式，結(jié)合單色儀模塊的使用可獲得低像差的單個13.5 nm諧波源。

三、總結(jié)與展望

該系統(tǒng)具有低成本、小型化的優(yōu)勢，能夠承擔部分同步輻射和自由電子激光器等大型先進光源的工作，有望在納米或量子材料研發(fā)等領(lǐng)域獲得應用推廣。利用高次諧波源的高空間分辨率優(yōu)勢，結(jié)合相干衍射成像技術(shù)，拓展到微納領(lǐng)域快速成像，也可為生物醫(yī)療、半導體晶圓缺陷檢測提供新的技術(shù)手段。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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