（原标题：颠覆EUV光刻38ab，好意思国筹议新光源：后果大增）
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据报说念，好意思国劳伦斯利弗莫尔国度实验室正在研发一种拍瓦级（petawatt-class）铥激光器（thulium laser），传奇后来果比 EUV 器具中使用的二氧化碳激光器高 10 倍，何况不错在畴昔很多年内取代光刻系统中的二氧化碳激光器。
LLNL 牵头的筹算将评估大孔径铥 (BAT：Big Aperture Thulium ) 激光时期 ，使 EUV 光源后果比目下行业法度的 CO2 激光器提高约十倍。这一跨越可能为新一代“Beyond EUV”光刻系统铺平说念路，该系统不错更快地分娩芯片，何况功耗更低。天然，将 BAT 时期应用于半导体分娩需要进行症结的基础设施变革，因此需要多万古辰才能罢了还有待不雅察；目下的 EUV 系统是经过数十年勾引出来的。
极紫外光刻时期的一个脾气是，现时一代低数值孔径 EUV 和下一代高数值孔径 EUV 光刻系统的功耗极高：这两种器具的功耗永诀高达 1，170 和 1，400 千瓦。EUV 光刻器具之是以破钞如斯巨大的功率，是因为它们依靠高能激光脉冲挥发细小的锡液滴（温度为 500，000oC），造成发出 13.5 纳米光的等离子体。以每秒数万次的速率产生这些脉冲需要雄壮的激光基础设施和冷却系统。产生和主宰锡液滴也需要电力。
此外，为了防护 EUV 光被空气领受，真空要求也加多了合座能耗。终末，由于 EUV 器具中的高档镜子只可反射一小部分 EUV 光，因此必须提高激光器的功率以提高分娩才气。
据LLNL先容，BAT 是一种新颖的拍瓦级激光器办法想象，选拔掺铥氟化钇锂（Tm：YLF）行为激光增益介质，表面上不错高效地输出拍瓦级、超短激光脉冲，平均功率达数百千瓦，远远越过目下同类激光器的水平。
“据咱们所知，这些脉冲能量是全国上任何波长接近 2 微米的激光架构所讲明的最高脉冲能量的 25 倍以上，”LLNL 物理学家 Issa Tamer 说说念。
行为一种强劲而紧凑的激光器，BAT 激光器结构可能会为激光等离子加快、用于癌症诊疗的质子加快、用于建立要津飞机部件中微裂纹的激光冲击喷丸以及用于巨额量芯片制造的 EUV 光刻等应用带来变革。
在最近的一篇论文中，他们详备先容了这种激光器。
据先容，在一个台式二极管泵浦 Tm:YLF 激光系统中，他们产生了高能量、高功率脉冲的情况，该系统可提供高达 108 J 的放大脉冲能量，以及在使用纳秒抓续时辰脉冲时达到 GW 峰值功率的性能。此外，通过在实验安装中注入多 kHz 脉冲群（阐述出较低的单个脉冲能量密度）来探索在多脉冲提真金不怕火 (MPE) 模式下操作 Tm:YLF 的高功率和后果才气，从而产生 3.6 kW 平均功率的多焦耳级脉冲序列，光对光后果为 19%。
行为一种强劲而紧凑的激光器，BAT 激光器结构可能会为激光等离子加快、用于癌症诊疗的质子加快、用于建立要津飞机部件中微裂纹的激光冲击喷丸以及用于巨额量芯片制造的 EUV 光刻等应用带来变革。
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目下，高能短脉冲激光系统概况在顶点要求下驱动强激光-物资相互作用，以产生高通量带电粒子束（high flux charged particle bunches）、惯性敛迹聚变（inertial confinement fusion）和用于巨额量集成电路制造的极紫外（EUV）光子源。天然伊始进的拍瓦级激光系统的峰值功率已讲明足以产生高产激光-等离子体相互作用，但仍需要显耀的激光时期和架构修订，以使平均功率远超千瓦级，并将合座系统后果提高几个数目级。
为了骄矜对此类下一代激光系统日益增长的需求，咱们探索了新颖的激光脉冲放大时期，举例多脉冲提真金不怕火（MPE：multi-pulse extraction），该时期可使激光操作的后果经常随平安复率的提高而提高。在此时期中，具有长辐射寿命和高饱和能量密度的激光活性材料以高能量密度抓续泵浦。同期，存储的能量由脉冲终止比辐射寿命短得多的入射脉冲串提真金不怕火，从而在这个时辰范围内放大多个脉冲（举例，在具有几毫秒抓续时辰寿命的掺镱薄盘（Yb-doped thin-disks）中以 10 kHz 提真金不怕火）。当平均提真金不怕火强度接近或越过激光活性材料的饱和强度时，不错罢了存效提真金不怕火。因此，在 MPE 模式中，重复率大大越过辐射寿命的倒数，高效脉冲操作所需的平均提真金不怕火强度不错在高饱和通量材料中以无损通量罢了（即单个脉冲通量远低于饱和通量）。此外，能量存储和提真金不怕火都以肖似于流畅波激光操作的稳态风物进行，从而导致通盘这个词高重复率激光脉冲串的恒定放大。
激光活性材料 Tm:YLF 具有相称允洽岑岭值和平均功率 MPE 操作的脾气：接近 1.9 μm 的宽带放射光谱、15 ms 的长辐射寿命，以及峰值在 790 nm 隔壁的领受光谱，与高功率激光二极管的放射范围重迭。此外，Tm:YLF 阐述出交叉弛豫相互作用（cross-relaxation interaction ），不错激励两个 Tm3+泵浦光子将离子进步到激光能级的上部，从而允许低量子裂缝，尽管激光和泵浦波长互异很大。大孔径铥 (BAT) 激光器办法旨在诈欺这些有益的材料脾气来罢了岑岭值和平均功圣洁能，永诀高达拍瓦级和几百千瓦级，光光后果越过 20%。但是，使用 Tm:YLF 罢了如斯高功率、高效的脉冲激光操作尚未罢了。
在这个筹议之前，二极管泵浦 Tm:YLF 激光器的能量提真金不怕火演示已罢了最大脉冲能量为 300 mJ，脉冲抓续时辰为 450 μs 。据咱们所知，在 2 μm 隔壁使命的脉冲激光器中讲明的最高能量为二极管泵浦（diode-pumped ） Ho:Tm:LuLF 激光器的 1.1 J 和目田运行闪光灯泵浦（flash-lamp-pumped ） Cr:Tm:YAG 激光器 的 4.2 J，后者在 Q 开关模式下也可输出 0.81 J，脉冲抓续时辰为 135 ns。
为了揭示行将推出的基于 Tm:YLF 的 MPE 激光器的潜在性能局限性并超越伊始进时期，咱们筹议了 Tm:YLF 中的高能量密度存储和提真金不怕火，最近在平直二极管泵浦的 Tm:YLF 放大器中罢了了焦耳级放大。在本文中，咱们展示了 Tm:YLF 激光器性能的进一步大幅进步，在之前散伙的基础上展示了 1 GW 峰值功率以上的纳秒级脉冲放大和越过 100 J 的长脉冲模式下的能量提真金不怕火。
本文详备先容的 Tm:YLF 激光系统架构的症结修订包括将放大器升级为远场多路复用、中继成像、孔径可膨胀设置，以及通过使用微透镜阵列和传输泵浦功率来改善泵浦均匀性。此外，咱们初次使用 Tm:YLF 进行了高光-光后果、多脉冲提真金不怕火操作的旨趣考证演示，诈欺实验系统将多 kHz 突披发大到 kW 级平均功率。
实验安装展示38ab
图1显露了为以下高能量、高功率放大演示而构建的紧凑型 Tm:YLF 安装， 该安装由一个回荡器和一个多通放大器构成。回荡器选拔二极管泵浦、水冷、6%-at. 掺杂的 Tm:YLF 晶体，摈弃在折叠的 3 m 旅途长度光学腔中。激光发生在λ= 1.88 μm，腔内偏振态与布儒斯特切割 Tm:YLF 晶体的轴可罢了最大增益。回荡器概况以主动 Q 开关腔倾卸模式或被迫目田运行模式进行激光操作，永诀用于短脉冲和长脉冲放大。
图 1. 远场多路复用 Tm:YLF 放大器的布局。来自 Tm:YLF 回荡器的种子脉冲通过 4 通放大器，使用反射镜 M1-M7 和二向色镜 DM 反射种子脉冲 (1.88 μm) 并传输泵浦脉冲 (793 nm)。透镜 L1 - L6 用于放大和中继种子图像，然后在 6%-at 中放大。掺杂的 Tm:YLF 晶体由 20 kW 激光二极管阵列 (LDA) 在两侧泵浦。使用一双微透镜阵列 (MLA) 和透镜 L7 使泵浦光束详尽均匀化。放大的脉冲通过摈弃在真空中的镜子 M2 和 M5 从安装中弹出，并使用镜子 M8 和 M9 提醒至会诊安装。镜子 M1-A 至 M1-D（代替镜子 M1）造成旁路，为长脉冲放大演示加多了两个独特的通说念。插图显露了均质泵浦详尽和泵浦的 Tm:YLF 晶体的图像。
为了演示多焦耳、GW 级 Tm:YLF 激光放大器的运行，回荡器选拔主动 Q 开关和腔体倾卸，产生褂讪的 4.0 mJ?±1.4% RMS、20 ns FWHM 种子脉冲，重复率为 1 Hz。从回荡器腔体射出后，使用透镜 L1 和 L2 扩大光束尺寸，曲率半径 (ROC) 永诀为 ?40 mm 和 125 mm，随后使用镜子 M1 将其提醒到远场多路复用 Tm:YLF 放大器中。使用透镜 L3 - L6 (L3 = L5 = 125 mm ROC；L4 = L6 = 400 mm ROC) 将光束通过 4 次传递成像，图像平面位于 Tm:YLF 晶体和镜子 M7 处。放大器千里镜设置既不错与 Tm:YLF 晶体处的泵浦光束进行模式匹配，也不错通过摈弃在真空 (10-6Torr) 来放松电离引起的空气击穿对放大器性能的影响。
功率放大器选拔直径 100 毫米、厚度 35 毫米、掺杂 6% 的 Tm:YLF 晶体行为激光增益介质，使用 793 nm、20 kW 激光二极管阵列 (LDA) 在两侧进行端面泵浦。每个 LDA 的光束详尽由 4×50 激明后使用成像均质器安装成像为六边形详尽，然后网格再行形势化。在这里，一组圆柱形透镜将来自光源的光束成像到微透镜阵列 (MLA) 对上，每个微透镜阵列包含一个 2 英寸×?2 英寸的六边形小透镜网格（1.75 毫米间距，5.25 毫米 ROC）。MLA 对将光束分红多个小光束，然后使用终末的球面透镜 L7（103 毫米 ROC）将它们重迭并再行成像到 Tm：YLF 晶体名义，造成图 1所示的均匀详尽。输出泵浦光束尺寸为 22 毫米 FWHM，不错通过更换 L7 并符合和谐使命距离来缩放。泵浦运输系统的测量透射率为 96.5%，导致 Tm：YLF 晶体的总泵浦功率为 38.6 kW，空间幅度波动为?±?1.2% RMS。重心不在于优化放大激光束的质料、长期能量褂讪性，也不在于灵验冷却材料，尽管选拔气冷、多层几何结构的肖似放大器架构不错罢了高重复率操作，但为特出到本文先容的旨趣考证散伙，晶体选拔径向水冷，并以每 20 秒高达一次的重复率泵浦。
Tm:YLF 中的岑岭值功率和
100焦耳级放大
使用位于镜子 M9 后的热释电探伤器（最大单次能量 85 J，输入脉冲宽度 <700 μs）平直测量通过放大器四次后的沿途输出脉冲能量，散伙如图 2所示。未泵浦放大器的四次脉冲能量通过以下测量详情：π轴 Tm:YLF 透射率为 20%，总透射率为约为0.15%。由于 Tm:YLF 中的准 3 级行为，种子光子的再行领受会发生，直到有弥漫数目的 Tm3+离子，然后通过泵浦和最终的二对一交叉弛豫相互作用（two-for-one cross-relaxation interaction）被激励到较高的激光能级。然后将泵浦脉冲抓续时辰诞生为 40 毫秒，并将泵浦功率进步至总运输泵浦功率的 73.5% (28.4 kW)，以在 20 纳秒抓续时辰的脉冲内罢了 21.7 J 的放大脉冲能量。在对抗种子（seed）参预放大器的同期进行的能量测量标明莫得可测量的放大自觉辐射 (ASE)，这被多通放大器设置的低角度采用度被迫扼制。
关于此泵浦脉冲抓续时辰，未使用全泵浦功率，以幸免将种子脉冲放大到可能损坏安装内光学元件的通量水平。随后，对放大器性能进行了进一步的表征，将泵浦脉冲抓续时辰从 10 毫秒和谐为 40 毫秒（约为 15 毫秒 Tm:YLF 辐射寿命），并将总运输泵浦功率缩放至较短泵浦脉冲抓续时辰的竣工 38.6 kW。散伙以放大脉冲能量的对数刻度绘画，详备说明了脉冲能量随输入泵浦功率的加多而呈多个数目级的指数增长，标明非饱和放大器操作险些可达到最大提真金不怕火量 21.7 J（6.9 J/cm2平均通量），这对应于该紧凑系统的净 4 次通过增益为 5400 和输出峰值功率为 1.1 GW。
图 2. 当使用 4 mJ、20 ns 脉冲行为种子时，Tm:YLF 放大器的 4 次输出脉冲能量测量值和相应的指数拟合。当使用 28.4 kW、40 ms 脉冲进行泵浦时，20 ns 脉冲中的最大脉冲能量为 21.7 J（峰值功率为 1.1 GW）。散伙显露在线性刻度（顶部）上，使用实线提醒眼睛，并在对数刻度（底部）上显露，总运输泵浦功率在 10 ms 至 40 ms 的脉冲抓续时辰内加多到 38.6 kW。
基于 Tm:YLF 的岑岭值功率激光系统有望提供高达 100 J 级的脉冲能量。为了通过实验排斥 Tm:YLF 中潜在的能量提真金不怕火截至，在向功率放大器注入种子之前，将回荡器诞生为以目田运行模式运行。在这种设置下，回荡器产生抓续时辰为 3 毫秒的脉冲（Tm:YLF 辐射寿命的一小部分），这不错在无损激光强度下加多提真金不怕火的脉冲能量。为了进一步提高从泵浦 Tm:YLF 晶体中提真金不怕火的能量，在回荡器和功率放大器之间插入了一条旁路，使用镜子 M1-A 至 M1-D 代替镜子 M1（如图 1所示） ，以在种子耦合到放大器之前引入两次独特的传递。然后将种子脉冲在时辰上与 40 ms 泵浦脉冲的终端对都，并使用基于热电堆的探伤器（最大脉冲能量 500 J，输入脉冲宽度 <500 ms）测量 6 次放大脉冲能量。
如图 3 所示 ，放大器赶紧饱和，并在 23.6 kW 泵浦功率下产生 21.2 J 的放大脉冲能量，险些与 20 ns 抓续时辰种子脉冲罢了的最大输出脉冲能量相匹配。将总运输泵浦功率进一步进步至 36.6 kW，可安全地产生 108 J 的放大脉冲能量（34.4 J/cm2平均通量），以及归因于放大自觉辐射的另外 1.7 J，这是在放大器的种子进口被对抗的情况下测量的。在泵浦功率低于 36.6 kW 时，ASE 光的能量太低，甚至于无法被所用的探伤器测量。
横向寄生激光不错大大裁汰放大器增益，但被 100 mm 直径 Tm:YLF 晶体的大片未泵浦区域被迫缓解，由于这种活性材料的准三能级性质，该晶体领受了入射的横向 ASE。在峰值提真金不怕火时，总千里积的泵浦脉冲能量为 1464 J（约100?J/cm3可提真金不怕火能量存储密度），该台式 100 J 级 Tm:YLF 激光器的光光后果（ptical-to-optical efficiency ）为 7.4%。据咱们所知，这些散伙标明，全国上任安在 2 μm 隔壁运行的激光系统都获取了最高的脉冲能量，并最终标明，Tm:YLF 中莫得增益物理表象结巴高能量密度存储和提真金不怕火。
图 3. Tm:YLF 功率放大器中的六次放大脉冲能量测量，泵浦功率高达 36.6 kW，脉冲长度为 40 毫秒。3 毫秒长的种子脉冲在泵浦脉冲终端注入，并放大至 108 J。
通过多脉冲提真金不怕火罢了高效的
突发模式操作
咱们想象了一个竣工的 BAT 类激光系统，不仅不错在高脉冲能量和峰值功率下使命，同期还不错行为一种高效的平均功率安装，使用 MPE 时期，选拔 CW 激光二极管泵浦和灵验的流畅提真金不怕火。行为一项旨趣考证明验，诈欺 6 通设置的功率放大器，探索并展示了 Tm:YLF 中的高效 MPE 操作。Tm:YLF 晶体的泵浦输入功率高达 18.2 kW，脉冲抓续时辰为 25 ms，以罢了褂讪景色，其中泵浦、提真金不怕火和自觉辐射达到均衡，从而在通盘这个词放大历程中导致晶体内的粒子数回转恒定。在本实验中，选拔自 Q 开关（self-Q-switched） Tm:YLF 激光器产生的 1.88 μm、6.8 kHz 脉冲串行为种子源。自 Q 开关历程是 Tm:YLF 中可饱和基态重领受的散伙，输出斜率、脉冲抓续时辰和重复率不错通过改动泵浦功率和晶体温度等进行和谐。和谐种子的时辰散播以产生险些平坦的脉打破发，其中±?6.4% RMS 脉冲间幅度波动，然后以时辰延长注入放大器，使得种子脉冲序列和泵浦脉冲的终端对都。放大后，将输出脉冲功率与总泵浦功率进行相比，以详情在 MPE 操作下该二极管泵浦 Tm:YLF 系统可罢了的光光后果。
图4 (a)给出了该实验的散伙 ，其中显露了放大脉冲串爆发的输出功率和相应的光光后果。图 4 (b) 中放大爆发的时辰弧线显露，在较低的泵浦功率下，由于放大器在非饱和景色下使命，光光后果低至 1.7%，因此斜率在通盘这个词抓续时辰内稳步加多。这里，放大爆发的平均强度为 230 W/cm2 ，这远低于 Tm:YLF 在1.88 μm时的饱和强度 1.4 kW/cm2（π轴，室温）。
但是，如图 4 (c)-d 所示，当泵浦功率加多到 18.2 kW 时，爆发前端的增益弥漫高，足以耗尽泵浦 Tm:YLF 晶体内的回转，何况斜率在爆发抓续时辰的剩余时辰内在准稳态下达到近似恒定的幅度。在这种情况下，放大爆发的平均强度约为 4.2 kW/cm2，这远远越过饱和强度，导致放大脉冲功率为 3.6 kW，光光后果为 19%。
在 Tm：YLF 多脉冲提真金不怕火实验的后果揣度中不包括在达到均衡之前在 Tm：YLF 晶体内产生脱手增益所需的泵浦能量，因为这种孝顺发生在稳态操作以外，何况在放大器的预期长期泵浦和播撒（即脉冲串抓续时辰延长）之后不错忽略不计。通过优化放大器想象和 Tm：YLF 晶体参数（包括掺杂密度和材料厚度等），不错进一步提高放大脉冲功率和光光后果。天然突发内每个脉冲的单独通量（接近 0.6 J/cm2）仅为Tm:YLF 饱和通量增益峰值 21.6 J/cm2的三十六分之一，这种高重复率、多焦耳级 Tm：YLF 激光器通过多脉冲提真金不怕火时期高效运行并处于饱和稳描写态。
图 4. a) 在多脉冲提真金不怕火 (MPE) 模式下准稳态 Tm：YLF 激光操作中，放大脉冲功率 (玄色) 和相应的光光后果 (蓝色) 随输入泵浦功率 (25 毫秒时高达 18.2 kW) 变化的关系。bc) 放大脉冲的时辰弧线，显露跟着泵浦功率的加多，脉冲串突发中每个脉冲通过饱和景色过渡到恒定增益。d) 为明晰起见，b) 和 c) 的包络弧线以对数刻度显露。
论断
如他们所说，当先，筹议东说念主员的主义是将紧凑、高重复率的 BAT 激光器（具有不同类型的脉冲）与产生 EUV 光的系统配对，以测试以 2 微米波长放射焦耳级脉冲的激光器若何与锡滴相互作用。
LLNL 激光物理学家 Brendan Reagan 暗示：“昔日五年来，咱们进行了表面等离子体模拟和办法考证激光演示，为该样貌奠定了基础。咱们的使命仍是对 EUV 光刻界产生了额外大的影响，因此当今咱们很清翠迈出下一步。”
他们在论文中强调，总之，咱们在高能量存储和提真金不怕火密度下展示了 Tm:YLF 的高功率、高效激光性能。在这里，选拔所有二极管泵浦的台式 Tm:YLF 系统在 4 通远场多路复烦懑率放大器中将 4 mJ、20 ns 脉冲放大至 21.7 J（1.1 GW 峰值功率）。随后，通过在放大器中植入目田运行回荡器并引入两个独特通说念，罢了了代表竣工 BAT 激光想象的更高能量提真金不怕火，在 1.88 μm 处产生 108 J 的脉冲能量——这是迄今为止在 2 μm 隔壁运行的任何激光器中提真金不怕火的最高脉冲能量——光光后果为 7.4%。终末，初次在 Tm:YLF 中展示了高功率多脉冲提真金不怕火，将 6.8 kHz 脉冲串突披发大至 3.6 kW 平均功率。在典型的 MPE 风物中，该系统在褂讪景色下阐述出 19% 的高光光后果，同期保抓单个脉冲通量 36×低于Tm:YLF饱和通量。这些散伙标明Tm:YLF概况罢了高能量、高功率、高效运行，因此是下一代MPE激光系统的合适且有但愿的候选者。
https://www.tomshardware.com/tech-industry/american-lab-is-developing-a-bat-laser-that-could-enable-beyond-euv-lithography-provide-10x-power-efficiency-boost
https://lasers.llnl.gov/news/llnls-bat-laser-rd-delivers-big-results
https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-26-46336&id=522758
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