新型EUV激光束面世：峰值功率接近兆瓦，可产生纳米级光波

2023-02-28 14:46

近日，由美国科罗拉多大学实验天体物理联合研究所（JILA）领导的研究小组通过发射飞秒激光并使之穿过充满气体的波导，成功地生成了非常紧凑、功率强大的极紫外辐射（EUV）光束。

据悉，结合电磁辐射研究和光纤光学的概念，研究人员创造了一种极紫外、类激光光束，能够在以往科学家无法接触到的电磁波谱区域产生紧密聚焦的光。

极紫外（EUV）波长比可见光波短10－100倍，它将使研究人员能够“看到”微小的特征并雕刻出微型图案，在显微镜、光刻和纳米技术等领域得以广泛应用。EUV光刻机的诞生是由各个部件在技术上的集体突破才最终成型的，但其中最为关键的还是EUV光刻机的光源——除了波长问题之外，激光达到焦点处的功率也成为瓶颈。

上述的研究成果是基于一种名为“波导”（waveguide）的新结构。据介绍，这种新结构是一种内部有凸起的中空玻璃管，可以诱导光波以相同的速度传播，并帮助光波相互加强。

这项工作是由美国国家科学基金会（NSF）、美国能源部支持的一个持续项目的一部分。据介绍，新型光束的峰值功率接近兆瓦，产生纳米级的光波，但整个设备可以放在一个中等大小的桌子上。

在整个过程中，强烈的激光将气体原子撕裂，产生了带电离子和电子。然后激光束将电子加速到非常高的能量，并将它们撞回离子中，释放电磁辐射（在这种情况下，是EUV波长的光子）。

一些EUV波可能与激光不协调（不同相），并且相互抵消，削弱了输出光束的强度和相干性。然而，通过在波导的直径上制造波纹，科罗拉多大学的研究小组使激光和EUV光束的光波以相同的速度传播（这一结果被称为“相位匹配”）。

“这些波导结构非常简单——只是一个调制的中空玻璃管，”JILA研究小组的Margaret Murnane表示，“这就好像激光束在调制装置上‘冲浪’，然后被减速——就像路上的减速带一样，非常简单而有效地让汽车减速。”

研究人员通过减慢激光的速度，还可以使其以与EUV光相同的速度传播，并提高上述过程的效率。这样一来，系统就能够发射出同步的光子流——电磁辐射被提升到高能的极紫外波长。

与一些房间大小的光源不同，Kapteyn说：“这种新型的、类激光的EUV光源在这些非常短的波长上比其他任何EUV激光设计都要小。波导光纤可以放在一只手上，而激光器可以放在桌面上。”此外，光束的峰值功率在其达到的波长上高于任何其他光源，从紫外（UV）一直到6nm左右的EUV光谱区域。

科罗拉多的研究小组希望将光束的范围扩展到“水窗”（4nm以下的光谱区域）范围，在这一区域光非常适于成像生物结构。研究人员能够建造一个小型显微镜，用于对桌面上的活体组织进行成像，或在纳米尺度上观察物体。研究人员预计，在10年内激光将一直延伸到光谱的X射线区域。这种光将被用于极其精确的显微镜，以及实时拍摄原子在化学反应和药物中编织的复杂舞蹈。