工业激光器研发：高平均功率飞秒光纤激光的应用探索

1.高功率紫外薄片激光器

薄片激光器可以在不改变泵浦功率密度的条件下，通过增加激光增益介质的面积高效地实现高光束质量的激光束以及较小的非线性效应，从而成为获得大能量脉冲激光光束的主要技术手段，是目前高端工业级固体激光器的典型代表。根据湖北省现有薄片激光器的技术基础，须研制平均功率大于100 W的紫外固体激光器。

2.高稳定性光纤皮秒/飞秒种子源技术

开发寿命长、稳定性高、光谱匹配的光纤超快锁模种子源激光器。其核心单元技术包括：对脉冲和复杂脉冲串可以精确选取和控制的高速声光调制技术；光纤中噪声产生、非线性调制、锁模条件等超快激光产生的机理，以及抗外界干扰的稳定特性。

通过优化锁模自启动和激光器功率自反馈机制，进一步提高锁模种子源的寿命，从现有10000 h寿命提升至20000 h免维护。同时精确匹配放大光谱，实现中心波长（1030.5±0.5）nm，光谱宽度小于0.5 nm，脉冲宽度小于10 ps。进一步提高种子源输出稳定度，输出功率不稳定度（12 h，RMS）小于1%，脉冲峰-峰值不稳定度小于3%。

3.高功率中红外光纤激光器

研制光纤泵浦纳秒脉冲混合激光器，实现波长2050/2060 nm、平均功率80 W、脉宽10～500 ns、重复频率40 kHz的激光输出。开拓激光医疗、非金属加工新应用。

4.大脉冲能量超快激光器

研制单脉冲能量10 mJ、脉冲宽度10 ps、平均功率200 W的超快激光器，满足并行加工、厚玻璃切割、高速硬脆材料打孔的需求。

5.高功率蓝光半导体激光器

研制光纤耦合输出2 kW半导体蓝光激光器。

6.调Q射频板条CO2激光器(www.xing528.com)

研制平均功率20 W、峰值功率1 kW、重复频率50 kHz调Q射频板条CO2激光器。

7.极紫外光源

高次谐波极紫外光源具有高度空间和时间相干性，是相干衍射成像的理想光源。研究高次谐波相干叠层成像技术（ptychography）应用于极紫外光刻掩模版三维微纳结构的振幅和相位成像检测；结合相干极紫外光场计算光学与高次谐波波前全光学空间相位调制，研究极紫外结构光场的构建和极紫外光刻掩模版纳米精度激光加工。

类似于椭偏和散射测量等集成电路光学检测技术，极紫外辐射在薄膜和材料界面的反射和散射信号可以应用于基于模型的集成电路亚波长结构光学检测。基于高次谐波极紫外光源的偏振控制，研究纳米和亚纳米薄膜厚度的极紫外宽光谱椭偏测量技术；利用极紫外高次谐波全光学调控聚焦，研究小光斑掠入射极紫外光谱散射技术，并提高极紫外光刻掩模版和晶圆纳米光栅结构的特征尺寸（CD）、套刻误差（overlay）等信息检测精度；研究基于极紫外散射测量的半导体材料纳米尺度缺陷高灵敏度检测。

高次谐波等相干极紫外光源目前采用的激光驱动源主要来自掺钛蓝宝石固体飞秒激光器，重复频率最高达到千赫兹，平均功率接近10W，满足了大多数基础科学研究需求。然而面向集成电路光学检测工业应用，固体飞秒激光驱动的极紫外光源遇到了重复频率低、平均功率低的瓶颈，有必要寻找更高重复频率的替代激光驱动源。

近年来，工业级飞秒光纤激光技术取得了重大进展，单脉冲能量达到毫焦量级，脉冲宽度最小达到100 fs以下，平均功率最高达到千瓦，满足了超快激光精密制造不断增长的需求。国产飞秒光纤激光器也达到平均功率百瓦、单脉冲能量数百微焦的技术水平，有望替代传统掺钛蓝宝石固体飞秒激光器，作为新一代极紫外相干辐射源的激光驱动源。

实现高平均功率、大脉冲能量飞秒光纤激光器，需要研究大模场有源增益光纤的制备技术；研究飞秒光纤激光脉冲啁啾放大技术中的高阶色散控制和补偿；研究高平均功率、百飞秒脉宽光纤激光脉冲的高效率非线性压缩技术，结合色散补偿光学元件实现几十飞秒脉冲宽度输出；研究飞秒光纤激光器的相干合束和多脉冲延时高精度主动控制技术。

HHG极紫外光源主要利用飞秒激光作为驱动源，为了满足基于工业级极紫外相干光源的集成电路极紫外光学检测设备，必须采用高平均功率飞秒光纤激光替代现有掺钛蓝宝石固体飞秒激光器。高功率飞秒光纤激光采用啁啾脉冲放大的技术方案，解决有源增益光纤材料和结构优化的问题，实现单脉冲能量大于1 mJ，平均功率大于100 W；解决宽增益带宽（大于10 nm）激光脉冲频域相位高阶色散的测量和补偿问题，实现脉宽带宽积近傅里叶变换极限和小于100 fs压缩后脉冲宽度；突破高平均功率、百飞秒脉宽激光脉冲非线性压缩关键技术，实现工业级大于60%高转化效率激光脉冲非线性压缩器。

在HHG相干极紫外方面，依托百瓦级飞秒光纤激光重点实现工业级毫瓦级宽谱极紫外光源输出。为了满足高重复频率输出的要求，突破连续或高重频、高背压超音速气流喷嘴关键技术并优化相关的真空腔室设计。比较研究气体喷嘴、毛细管、高压气盒、气体团簇等多种靶材设计，并研究极紫外辐射的相位匹配和自吸收物理过程机制，优化辐射效率到万分之一以上；明确高次谐波光谱总带宽和特定谱线强度的相干控制机理，实现输出极紫外波长可调谐和单支谱线的高对比度优化（对比度大于5倍）；尝试在纳秒激光烧蚀固体等离子体中耦合飞秒激光，研究高价离子的隧穿电离、阈上电离、再碰撞等阿秒尺度超快物理过程，研究高激光峰值功率条件下的原子物理过程的弱相对论效应修正，并以相关基础科学问题研究为背景发展高价态离子高次谐波辐射源的优化。工业化HHG相干极紫外辐射源的目标参数为：单支谱线最高转化效率大于10-4，平均功率大于1 mW，宽谱输出模式下全部带宽内总输出平均功率大于10 mW；光谱可以在单支谱线和宽谱两种模式下调节输出，输出带宽和可调范围达到50～100 eV范围（以光子能量计）。

在集成电路极紫外检测方面，重点实现基于百瓦级飞秒光纤激光器的毫瓦级HHG极紫外相干光源，支撑多种高精度极紫外检测技术的工业应用。利用HHG极紫外光源的相干性，对集成电路相关的材料表面纳米结构和纳米薄膜进行反射或透射式相干衍射成像（coherent diffraction imaging，CDI）和相干叠层成像研究，空间分辨率达到1～10 nm水平。在现有可见光到紫外波段椭圆偏振测量和散射测量基础上，利用偏振精确控制的HHG光源研究掠入射极紫外椭偏和散射测量，实现对纳米尺度周期性结构的高灵敏度测量。

在检测光源方面，伴随着半导体制程工艺特征尺寸逐渐减小，以及极紫外光刻技术的使用，现有基于可见光和紫外波外波段光源的检测晶圆、掩模版等纳米尺度结构检测和缺陷检测面临技术瓶颈。极紫外光源降低波长提高了测量精度和灵敏度，且对纵向三维结构有较好的响应，可以对现有散射和椭偏测量设备进行很好的补充。尤其高次谐波极紫外光源具有理想的光谱和时间相干性，可以基于无透镜成像技术实现对纳米结构的高分辨率振幅和相位成像检测。