半導體所、新疆理化所采用386nm近紫外GaN基激光器直接倍頻實現(xiàn)193nm深紫外激光
193nm深紫外（DUV）激光因具有高空間分辨率、高光子能量等特點，在半導體器件先進制造、微納材料分析、生物醫(yī)學檢測等領(lǐng)域具有重要應用價值。目前廣泛應用的193nm氟化氬（ArF）準分子氣體激光器存在體積大、效率低、維護成本高等問題。如果采用氮化鎵（GaN）基近紫外半導體激光器（輸出波長～386nm，其二倍頻波長是193nm）和深紫外倍頻晶體直接倍頻方案，可實現(xiàn)193nm深紫外激光輸出，其轉(zhuǎn)換效率有望顯著提升。然而，這一技術(shù)路徑長期面臨關(guān)鍵材料與核心器件的限制，國外僅日本名古屋大學、日亞公司等少數(shù)機構(gòu)報道了GaN基近紫外激光器。在深紫外倍頻晶體方面，發(fā)展兼具大倍頻效應、高激光損傷閾值、深紫外相位匹配、大尺寸單晶生長等綜合性能優(yōu)異的實用化晶體一直是國際難點。
近期，中國科學院半導體研究所趙德剛研究員團隊和中國科學院新疆理化技術(shù)研究所潘世烈研究員團隊合作，在GaN基近紫外激光器（Optics Letters, 2024, 49: 1305）和氟化硼酸鹽深紫外非線性光學晶體（NH4B4O6F，ABF）(arXiv: 2503.05019)方面取得系列進展的基礎(chǔ)上，采用大功率386nm GaN基近紫外激光器作為基頻光源，經(jīng)ABF深紫外非線性光學晶體直接倍頻，成功獲得193nm深紫外激光輸出（圖1）。為進一步驗證，研究團隊同時采用大功率394nm的GaN基近紫外激光器作為基準光源，經(jīng)深紫外非線性光學晶體直接倍頻，成功實現(xiàn)197nm深紫外激光輸出，進一步驗證了倍頻效果。該成果為實現(xiàn)小型化、長期穩(wěn)定的193nm深紫外激光提供了新方向。
圖1. （a）基于GaN近紫外激光器和ABF深紫外非線性晶體的直接倍頻技術(shù)原理，（b）基頻光源光譜：GaN基386nm和394nm半導體激光器，（c）直接倍頻后獲得的193nm、197nm深紫外激光光譜。?
該成果以“Realization of 193 nm DUV laser through direct frequency doubling with GaN-based UVA laser diode and ABF crystal”為題，作為封面文章發(fā)表于《半導體學報》（Journal of Semiconductors）。半導體所梁鋒副研究員、新疆理化所張方方研究員為論文的共同第一作者，半導體所楊靜研究員、趙德剛研究員和新疆理化所潘世烈研究員為論文的共同通訊作者。該研究獲得了國家自然科學基金、中國科學院先導專項、中國科學院青年創(chuàng)新促進會、天山創(chuàng)新團隊計劃的支持。?
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https://www.jos.ac.cn/en/article/doi/10.1088/1674-4926/25110004
