封面展示了基于高次諧波（HHG）技術的13.5 nm極紫外光源及其在芯片缺陷檢測領域的應用。通過緊聚焦飛秒激光脈沖在稀有氣體靶中激發產生的高次諧波，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）光刻機技術的成功實現和推廣，該光譜范圍中的13.5 nm 光源在半導體領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生的大發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定性，增加了系統的維護成本。而同步輻射和自由電子激光產生的13.5 nm光源成本高、獲取困難，不利于大規模推廣應用。

為進一步推動國內13.5 nm 極紫外光源的相關研究與應用，本研究基于高次諧波技術在10~20 nm 光譜范圍內產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、創新研究

中國科學院空天信息創新研究院極紫外課題組使用鈦寶石激光器作為驅動光源，基于充氣空芯光波導開發了10~40 nm 的高穩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動激光，并使用金屬膜隔離殘余的驅動激光，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；（b）光束穩定控制系統；（c）EUV 發生及過濾系統；（d）EUV 光源檢測及光譜儀系統

課題組使用氦氣作為反應氣體，在光源產生處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，在光源產生處17~35 nm 的光譜范圍獲得了120 μW 的總平均功率。該系統使用了光束指向穩定裝置并進行了工程化設計，實現12個小時的極紫外諧波輸出平均功率波動小于4.3％的高穩定性，達到了*水平。

該光源系統使用雙光學器件、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、總結與展望

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

參考文獻： 中國光學期刊網

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