半导体所、新疆理化所采用386nm近紫外GaN基激光器直接倍频实现193nm深紫外激光

　　193nm深紫外(DUV)激光因具有高空间分辨率、高光子能量等特点，在半导体器件先进制造、微纳材料分析、生物医学检测等领域具有重要应用价值。目前广泛应用的193nm氟化氩(ArF)准分子气体激光器存在体积大、效率低、维护成本高等问题。如果采用氮化镓(GaN)基近紫外半导体激光器(输出波长～386nm，其二倍频波长是193nm)和深紫外倍频晶体直接倍频方案，可实现193nm深紫外激光输出，其转换效率有望显著提升。然而，这一技术路径长期面临关键材料与核心器件的限制，国外仅日本名古屋大学、日亚公司等少数机构报道了GaN基近紫外激光器。在深紫外倍频晶体方面，发展兼具大倍频效应、高激光损伤阈值、深紫外相位匹配、大尺寸单晶生长等综合性能优异的实用化晶体一直是国际难点。
 

　　近期，中国科学院半导体研究所赵德刚研究员团队和中国科学院新疆理化技术研究所潘世烈研究员团队合作，在GaN基近紫外激光器(Optics Letters, 2024, 49: 1305)和氟化硼酸盐深紫外非线性光学晶体(NH4B4O6F，ABF)(arXiv: 2503.05019)方面取得系列进展的基础上，采用大功率386nm GaN基近紫外激光器作为基频光源，经ABF深紫外非线性光学晶体直接倍频，成功获得193nm深紫外激光输出(图1)。为进一步验证，研究团队同时采用大功率394nm的GaN基近紫外激光器作为基准光源，经深紫外非线性光学晶体直接倍频，成功实现197nm深紫外激光输出，进一步验证了倍频效果。该成果为实现小型化、长期稳定的193nm深紫外激光提供了新方向。
 

　　图1. (a)基于GaN近紫外激光器和ABF深紫外非线性晶体的直接倍频技术原理，(b)基频光源光谱：GaN基386nm和394nm半导体激光器，(c)直接倍频后获得的193nm、197nm深紫外激光光谱。

 

　　该成果以“Realization of 193 nm DUV laser through direct frequency doubling with GaN-based UVA laser diode and ABF crystal”为题，作为封面文章发表于《半导体学报》(Journal of Semiconductors)。半导体所梁锋副研究员、新疆理化所张方方研究员为论文的共同第一作者，半导体所杨静研究员、赵德刚研究员和新疆理化所潘世烈研究员为论文的共同通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金、中国科学院先导专项、中国科学院青年创新促进会、天山创新团队计划的支持。