1. 简述

我们选取三组文献围绕同一条主线展开：用 1030 nm Yb 系激光与 1550 nm Er/OPA 支路作为基频，通过 LBO、CLBO、PPLN 等非线性器件逐级频率变换，获得 193 nm 窄线宽、空间相干的固体种子源，并服务于 hybrid ArF excimer laser 的注入种子或前级放大。

从路线演进看，2015 年论文解决“百毫瓦级、6 kHz、窄线宽 193 nm 种子是否可行”；2017 年论文把 193 nm 功率推到瓦级；2018 年论文用 compact collinear cascaded SFM 降低 DUV 光学复杂度；2020 年 Gigaphoton 会议论文则把 1550 nm 产生方式转向两级 PPLN OPA，强调设备紧凑化、谱宽和 hybrid ArF 适配。

2. 文献 A：2015 Optics Express - 310 mW 级窄线宽 193 nm 种子

2.1 频率链路与系统构成

2015 年论文的路线是典型的“双基频 + 多级和频”：1030 nm Yb-hybrid 支路先经 LBO 非临界相位匹配 SHG 产生 515 nm，再经 CLBO FHG 得到 258 nm；1553 nm Er-fiber 支路与 258 nm 在 CLBO 中完成第一级 SFG 产生 221 nm，剩余 1553 nm 再与 221 nm 完成第二级 SFG，最终得到 193 nm。

图 1  2015 年 193 nm 产生总体光路。图片引用：源文献 A, Fig. 1。

• 1030 nm 支路：从窄线宽 pulsed DFB seed 出发，经多级 Yb fiber amplifier、PCF amplifier 和 Yb:YAG single crystal fiber amplifier 放大；AOM 将重复频率降到 6 kHz，以匹配 ArF 准分子系统。
• 515/258 nm 产生：1030 nm 在 LBO 中获得超过 6 W 的 515 nm 输出，转换效率超过 70%；515 nm 在 CLBO 中进一步得到超过 3 W 的 258 nm，FHG 效率接近 50%。论文选择 CLBO 而非 BBO，主要考虑 BBO walk-off 角更大、会损害深紫外光束质量。
• 1553 nm 支路：Er-fiber MOPA 输出约 5 ns 窄线宽脉冲，与 Yb 支路用信号源和数字延迟发生器同步；论文估计同步抖动上限约 200 ps，处于频率转换可接受范围。
• 193 nm 末级：两级 CLBO SFG 的峰值功率密度被控制在不超过 30 MW/cm2，以兼顾转换效率与 CLBO 寿命。

2.2 输出特性与 ArF 注入意义

该论文报告 193 nm 平均功率 310 mW、6 kHz、单脉冲能量 51 uJ。作者强调这在当时是固体/光纤混合频率变换窄线宽 193 nm 光源的最高平均功率和脉冲能量之一。其目标不是直接替代高功率 ArF 光源，而是替代 injection-locked ArF 系统中的准分子振荡种子，从而降低电功耗并改善空间相干性。

图 2  2015 年两级 SFG 输出、193 nm 脉冲/光束与稳定性结果。图片引用：源文献 A, Fig. 7-Fig. 8。

值得注意的是，论文把 ArF 注入种子的要求拆成三个工程量：第一，重复频率要与 ArF 放电窗口同步；第二，线宽需达到数 GHz 或亚 pm 量级；第三，平均功率需达到数百毫瓦以提高注入信号相对 ASE 的比例。2015 年结果完成了“百毫瓦级可用种子”的第一步，但要驱动百瓦级 hybrid ArF 输出，仍需要更高种子功率或更低 ASE 的放大器设计。

3. 文献 B：2017/2018 Optics Express - 瓦级功率与紧凑级联

3.1 2017 年：1.02 W 193 nm coherent light

2017 年论文沿用 258 nm + 1553 nm 两级 SFG 框架，但研究重点从“能否产生 193 nm”转向“如何承受高功率 DUV 与保持高转换效率”。作者指出，原 300 mW 级种子对 hybrid ArF amplifier 仍可能偏弱，因为 ArF 放大器中的 ASE 会在高增益下占据输出比例；将种子提高到 1 W 级可更有效地压低 ASE。

图 3  2017 年 1 W 193 nm 实验装置。图片引用：源文献 B1, Fig. 3。

图 4  2017 年 193 nm 输出功率、转换效率与 30 分钟稳定性。图片引用：源文献 B1, Fig. 5。

稳定性方面，论文在 0.5 W 输出下记录了 30 分钟自由运行，标准差约 20.94 mW，对应约 4% 波动。这个结果说明实验系统已有较好的短时稳定性，但距离光刻设备需要的剂量闭环和全天候稳定运行仍有距离。论文也指出，CLBO 长时间运行未见损伤，但多层镀膜窗口和反射镜的损伤阈值可能更早成为系统寿命瓶颈。

图 5  2017 年 221 nm/193 nm 光束轮廓与脉冲宽度。图片引用：源文献 B1, Fig. 7。

3.2 2018 年：compact collinear cascaded SFM

2018 年论文的目标不是再创最高功率，而是把 193 nm 产生链路做得更紧凑、更便宜、更少 DUV 光学元件。传统非共线两级 SFG 需要额外反射镜、透镜和二向色镜完成第二级合束，增加调试复杂度、UV 镀膜损伤风险和成本。论文提出 compact collinear cascaded SFM，把 1553 nm、258 nm 和中间生成的 221 nm 尽量保持在同一路径中完成后续和频。

图 6  2018 年共线级联 SFM 总体路线。图片引用：源文献 B2, Fig. 1。

图 7  2018 年传统结构与两种紧凑共线结构对比。图片引用：源文献 B2, Fig. 2。

• 前级改进：1030 nm 由窄线宽 DFB LD 出发，AOM 将 160 kHz 降至 10 kHz，PCF 预放大后用 Yb:YAG ceramic rod 作为主放大器；相比 SCF，陶瓷棒路线降低成本并保持性能。
• 515/258 nm：LBO SHG 可得到超过 22 W 的 515 nm；CLBO FHG 得到接近 7 W，最高也可达 8.5 W/258 nm，但作者为降低 CLBO 损伤风险，没有追求最高转换效率。
• 紧凑结构：type-I 与 type-II CLBO 两种方案均减少了第二级 SFM 的额外 DUV 光学元件；type-II 方案在 221 nm/193 nm 功率上更优。
• 限制因素：紧凑结构的主要损失来自第一块 CLBO 中 1553 nm 与 221 nm 的相对 spatial walk-off，导致第二级 SFM 空间重合不完美。

图 8  2018 年 193 nm 功率对比、光束轮廓与 walk-off 相关实验结果。图片引用：源文献 B2, Fig. 7-Fig. 8。

论文给出的三种结构结果具有工程启发：传统结构最高约 0.77 W，紧凑 type-II 方案约 0.7 W，紧凑 type-I 方案约 0.41 W。0.7 W 相比 0.77 W 的损失只有约 0.07 W，作者将其归因于 CLBO 内 spatial walk-off，并提出可用两块短晶体、光轴镜像排列的方式补偿 Poynting vector 方向，从而改善后续重合。

4. 文献 C：2020 ASSL/Gigaphoton - OPA-based compact seed

4.1 研究动机与结构

2020 年 Gigaphoton 会议论文直接以 hybrid ArF laser 为题，核心目标是“紧凑化”和“谱宽工程化”。论文指出，传统多级 Er-doped fiber amplifier 在产生高峰值、单频 1550 nm 脉冲时会受非线性效应限制，系统体积也难以继续压缩；PPLN OPO/OPA 则只需两级光参量过程即可产生并放大 1550 nm 脉冲，有利于把 1550 nm 模块缩小到 A3 尺寸级别。

图 9  2020 年 Gigaphoton 两级 PPLN OPA + CLBO 193 nm 实验装置。图片引用：源文献 C, Fig. 1。

• 1030 nm 主链：10 ns、10 kHz 脉冲，前级约 1.5 W；经 940 nm LD 泵浦的单通 Yb:YAG ceramic amplifier 放大到约 12 W。
• 515 nm：1030 nm 进入约 189 摄氏度的 NCPM LBO，SHG 输出超过 5 W。
• 1550 nm：LBO 后残余 1030 nm 被二向色镜回收，用于泵浦两级 MgO:PPLN OPA。第一 OPA 由 CW DFB-LD 1550 nm 种子和约 700 mW 1030 nm 泵浦产生超过 70 mW 脉冲 1550 nm，第二 OPA 输出超过 0.8 W。
• 193 nm：515 nm 与 1550 nm 进入含三块 CLBO 的变频单元，分别用于 258 nm、221 nm 和 193 nm 生成；CLBO 独立安装在旋转台上，加热到约 150 摄氏度并用氮气吹扫，最后由 CaF2 棱镜分离 193 nm。

4.2 输出功率、谱宽与工程含义

实验结果显示，当 1550 nm 输入保持约 800 mW、SHG 输入升至 5.1 W 时，193 nm 输出达到 110 mW。虽然功率低于 2017/2018 的瓦级结果，但该工作给出了非常关键的谱宽数据：193 nm FWHM 0.27 pm，E95 0.50 pm，作者认为该谱宽可与 lithography 用 ultra-fine ArF laser 输出相比较。

图 10  2020 年 193 nm 输出功率与谱宽结果。图片引用：源文献 C, Fig. 2-Fig. 3。

这篇论文的价值不在于最高功率，而在于更接近产品化约束：1550 nm 子系统缩小、残余 1030 nm 回收提高电光效率、PPLN OPA 便于调谐 1550 nm 波长，且最终 193 nm 谱宽达到 0.50 pm E95。对小松/Gigaphoton 的 hybrid ArF 路线而言，这类种子源更像是可嵌入准分子放大平台的工程模块。

5. 横向技术对比

6. 对 193 nm SLM 单频种子源方案的工程启示

附录1：文献与图片引用说明

H. Xuan, Z. Zhao, H. Igarashi, S. Ito, K. Kakizaki, and Y. Kobayashi, "300-mW narrow-linewidth deep-ultraviolet light generation at 193 nm by frequency mixing between Yb-hybrid and Er-fiber lasers," Optics Express 23(8), 10564-10572 (2015), DOI: 10.1364/OE.23.010564.

H. Xuan, C. Qu, Z. Zhao, S. Ito, and Y. Kobayashi, "1 W solid-state 193 nm coherent light by sum-frequency generation," Optics Express 25(23), 29172-29179 (2017), DOI: 10.1364/OE.25.029172.

Z. Zhao, C. Qu, H. Igarashi, H. Xuan, T. Miura, S. Ito, and Y. Kobayashi, "Watt-level 193 nm source generation based on compact collinear cascaded sum frequency mixing configuration," Optics Express 26(15), 19435-19444 (2018), DOI: 10.1364/OE.26.019435.

C. Qu, Y. Tanaka, H. Igarashi, Y. Tamaru, A. Fuchimukai, Y. Murakami, T. Miura, and K. Kakizaki, "OPA Based Compact 193 nm Light Source for Hybrid ArF Laser," Laser Congress 2020 (ASSL, LAC), paper JTh6A.2, DOI: 10.1364/ASSL.2020.JTh6A.2.

本文插入图片均由上述 PDF 原文页面渲染后裁剪，图注中以“源文献 A/B1/B2/C, Fig. X”标注原始论文图片来源。

附录2：做参比的德国Xiton公司Ixion-193-SLM商品种子激光器

附录3：做193nm自研种子激光器需要的若干器件与设备

2. 美国SRS公司DG535/DG645皮秒精度时间延迟发生器（控制两台激光器时序同步）

3. 以色列Ophir公司激光功率能量计/激光光束品质分析仪