據報道，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室正在研發一種拍瓦級（petawatt-class）铥激光器（thulium laser），據說其效率比EUV 工具中使用的二氧化碳激光器高10 倍，並且可以在未來許多年內取代光刻系統中的二氧化碳雷射。

LLNL 主導的計劃將評估大孔徑铥(BAT：Big Aperture Thulium ) 雷射技術，使EUV 光源效率比目前行業標準的CO2 雷射器提高約十倍。這項進步可能為新一代「Beyond EUV」光刻系統鋪平道路，該系統可以更快地生產晶片，並且功耗更低。當然，將BAT 技術應用於半導體生產需要進行重大的基礎設施變革，因此需要多長時間才能實現還有待觀察；目前的EUV 系統是經過數十年開發出來的。

極紫外光刻技術的一個特點是，當前一代低數值孔徑EUV 和下一代高數值孔徑EUV 光刻系統的功耗極高：這兩種工具的功耗分別高達1，170 和1，400 千瓦。 EUV 光刻工具之所以消耗如此巨大的功率，是因為它們依靠高能量雷射脈衝蒸發微小的錫液滴（溫度為500，000ºC），形成發出13.5 奈米光的等離子體。以每秒數萬次的速度產生這些脈衝需要龐大的雷射基礎設施和冷卻系統。產生和操縱錫液滴也需要電力。

此外，為了防止EUV 光被空氣吸收，真空需求也增加了整體能耗。最後，由於EUV 工具中的高級鏡子只能反射一小部分EUV 光，因此必須提高雷射的功率以提高生產能力。

根據LLNL介紹，BAT 是一種新穎的拍瓦級雷射概念設計，採用摻铥氟化釔鋰（Tm：YLF）作為雷射增益介質，理論上可以高效地輸出拍瓦級、超短雷射脈衝，平均功率達數百千瓦，遠遠超過目前同類雷射的水平。

「據我們所知，這些脈衝能量是世界上任何波長接近2 微米的雷射架構所報告的最高脈衝能量的25 倍以上，」LLNL 物理學家Issa Tamer 說。

作為一種強大而緊湊的雷射器，BAT 雷射結構可能會為雷射等離子加速、用於癌症治療的質子加速、用於修復關鍵飛機部件中微裂紋的雷射衝擊噴丸以及用於大批量晶片製造的EUV光刻等應用帶來改變。

在最近的一篇論文中，他們詳細介紹了這種雷射。

據介紹，在一個桌上型二極體泵浦Tm:YLF 雷射系統中，他們產生了高能量、高功率脈衝的情況，該系統可提供高達108 J 的放大脈衝能量，以及在使用奈秒持續時間脈衝時達到GW 峰值功率的效能。此外，透過在實驗裝置中註入多kHz 脈衝群（表現出較低的單一脈衝能量密度）來探索在多脈衝提取(MPE) 模式下操作Tm:YLF 的高功率和效率能力，從而產生3.6 kW 平均功率的多焦耳級脈衝序列，光對光效率為19%。

作為一種強大而緊湊的雷射器，BAT 雷射結構可能會為雷射等離子加速、用於癌症治療的質子加速、用於修復關鍵飛機部件中微裂紋的雷射衝擊噴丸以及用於大批量晶片製造的EUV光刻等應用帶來改變。

一些基本知識

目前，高能短脉冲激光系统能够在极端条件下驱动强激光-物质相互作用，以产生高通量带电粒子束（high flux charged particle bunches）、惯性约束聚变（inertial confinement fusion）和用于大批量集成电路制造的极紫外（EUV）光子源。虽然最先进的拍瓦级激光系统的峰值功率已证明足以产生高产激光-等离子体相互作用，但仍需要显著的激光技术和架构改进，以使平均功率远超千瓦级，并将整体系统效率提高几个数量级。

為了滿足對此類下一代雷射系統日益增長的需求，我們探索了新穎的雷射脈衝放大技術，例如多脈衝提取（MPE：multi-pulse extraction），該技術可使雷射操作的效率通常隨著重複率的提高而提高。在此技術中，具有長輻射壽命和高飽和能量密度的雷射活性材料以高能量密度持續泵浦。同時，儲存的能量由脈衝間隔比輻射壽命短得多的入射脈衝串提取，從而在這個時間範圍內放大多個脈衝（例如，在具有幾毫秒持續時間壽命的摻鐿薄盤（Yb-doped thin -disks）中以10 kHz 提取）。當平均萃取強度接近或超過雷射活性材料的飽和強度時，可以實現有效萃取。因此，在MPE 模式中，重複率大大超過輻射壽命的倒數，高效能脈衝操作所需的平均提取強度可以在高飽和通量材料中以無損通量實現（即單一脈衝通量遠低於飽和通量）。此外，能量儲存和提取都以類似於連續波雷射操作的穩態方式進行，從而導致整個高重複率雷射脈衝串的恆定放大。

雷射活性材料Tm:YLF 具有非常適合高峰值和平均功率MPE 操作的特性：接近1.9 µm 的寬頻發射光譜、15 ms 的長輻射壽命，以及峰值在790 nm 附近的吸收光譜，與高功率雷射二極體的發射範圍重疊。此外，Tm:YLF 表現出交叉弛豫相互作用（cross-relaxation interaction ），可以激發兩個Tm3+泵浦光子將離子提升到雷射能階的上部，從而允許低量子缺陷，儘管雷射和泵浦波長差異很大。大孔徑铥(BAT) 雷射概念旨在利用這些有利的材料特性來實現高峰值和平均功率性能，分別高達拍瓦級和幾百千瓦級，光光效率超過20%。然而，使用Tm:YLF 實現如此高功率、高效的脈衝雷射操作尚未實現。

在這個研究之前，二極體泵浦Tm:YLF 雷射的能量提取演示已實現最大脈衝能量為300 mJ，脈衝持續時間為450 µs 。據我們所知，在2 µm 附近工作的脈衝雷射器中報告的最高能量為二極管泵浦（diode-pumped ） Ho:Tm:LuLF 雷射器的1.1 J 和自由運行閃光燈泵浦（flash-lamp-pumped ） Cr :Tm:YAG 雷射的4.2 J，後者在Q 開關模式下也可輸出0.81 J，脈衝持續時間為135 ns。

為了揭示即將推出的基於Tm:YLF 的MPE 雷射器的潛在性能局限性並超越最先進技術，我們研究了Tm:YLF 中的高能量密度存儲和提取，最近在直接二極管泵浦的Tm:YLF 放大器中實現了焦耳級放大。在本文中，我們展示了Tm:YLF 雷射器性能的進一步大幅提升，在先前結果的基礎上展示了1 GW 峰值功率以上的納秒級脈衝放大和超過100 J 的長脈衝模式下的能量提取。

本文詳細介紹的Tm:YLF 雷射系統架構的重大改進包括將放大器升級為遠場多路復用、中繼成像、孔徑可擴展配置，以及透過使用微透鏡陣列和傳輸泵浦功率來改善泵浦均勻性。此外，我們首次使用Tm:YLF 進行了高光-光效率、多脈衝提取操作的原理驗證演示，利用實驗系統將多kHz 突發放大到kW 級平均功率。

實驗裝置展示

圖1顯示了為以下高能量、高功率放大演示而建造的緊湊型Tm:YLF 裝置， 該裝置由一個振盪器和一個多通放大器組成。振盪器採用二極體泵浦、水冷、6%-at. 摻雜的Tm:YLF 晶體，放置在折疊的3 m 路徑長度光學腔中。雷射發生在λ= 1.88 µm，腔內偏振態與布儒斯特切割Tm:YLF 晶體的軸可達到最大增益。振盪器能夠以主動Q 開關腔傾卸模式或被動自由運行模式進行雷射操作，分別用於短脈衝和長脈衝放大。

圖1. 遠場多工Tm:YLF 放大器的佈局。來自Tm:YLF 振盪器的種子脈衝通過4 通放大器，使用反射鏡M1-M7 和二向色鏡DM 反射種子脈衝(1.88 µm) 並傳輸泵浦脈衝(793 nm)。透鏡L1 – L6 用於放大和中繼種子影像，然後在6%-at 中放大。摻雜的Tm:YLF 晶體由20 kW 雷射二極體陣列(LDA) 在兩側泵浦。使用一對微透鏡陣列(MLA) 和透鏡L7 使泵浦光束輪廓均勻化。放大的脈衝透過放置在真空中的鏡子M2 和M5 從裝置中彈出，並使用鏡子M8 和M9 引導至診斷裝置。鏡子M1-A 至M1-D（取代鏡子M1）形成旁路，為長脈衝放大演示增加了兩個額外的通道。插圖顯示了均質泵浦輪廓和泵浦的Tm:YLF 晶體的圖像。

為了展示多焦耳、GW 級Tm:YLF 雷射放大器的運行，振盪器採用主動Q 開關和腔體傾卸，產生穩定的4.0 mJ ±1.4% RMS、20 ns FWHM 種子脈衝，重複率為1 Hz。從振盪器腔體射出後，使用透鏡L1 和L2 擴大光束尺寸，曲率半徑(ROC) 分別為−40 mm 和125 mm，隨後使用鏡子M1 將其引導到遠場多路復用Tm:YLF 放大器中。使用透鏡L3 – L6 (L3 = L5 = 125 mm ROC；L4 = L6 = 400 mm ROC) 將光束通過4 次傳遞成像，影像平面位於Tm:YLF 晶體和鏡子M7 處。放大器望遠鏡配置既可以與Tm:YLF 晶體處的泵浦光束進行模式匹配，也可以透過放置在真空(10-6Torr) 來減輕電離引起的空氣擊穿對放大器性能的影響。

功率放大器採用直徑100 毫米、厚度35 毫米、摻雜6% 的Tm:YLF 晶體作為雷射增益介質，使用793 nm、20 kW 雷射二極體陣列(LDA) 在兩側進行端面泵浦。每個LDA 的光束輪廓由4×50 雷射線使用成像均質器裝置成像為六邊形輪廓，然後網格重新格式化。在這裡，一組圓柱形透鏡將來自光源的光束成像到微透鏡陣列(MLA) 對上，每個微透鏡陣列包含一個2 英寸× 2 英寸的六邊形小透鏡網格（1.75 毫米間距，5.25毫米ROC）。 MLA 對將光束分成多個小光束，然後使用最後的球面透鏡L7（103 毫米ROC）將它們重疊並重新成像到Tm：YLF 晶體表面，形成圖1所示的均勻輪廓。輸出泵浦光束尺寸為22 毫米FWHM，可透過更換L7 並適當調整工作距離來縮放。泵浦輸送系統的測量透射率為96.5%，導致Tm：YLF 晶體的總泵浦功率為38.6 kW，空間幅度波動為 ± 1.2% RMS。重點不在於優化放大雷射光束的品質、長期能量穩定性，也不在於有效冷卻材料，儘管採用氣冷、多層幾何結構的類似放大器架構可以實現高重複率操作，但為了得到本文介紹的原理驗證結果，晶體採用徑向水冷，並以每20 秒高達一次的重複率泵浦。

Tm:YLF 中的高峰值功率和

100焦耳級放大

使用位於鏡子M9 後的熱釋電探測器（最大單次能量85 J，輸入脈衝寬度<700 µs）直接測量通過放大器四次後的全部輸出脈衝能量，結果如圖2所示。未泵浦放大器的四次脈衝能量透過以下測量確定：π軸Tm:YLF 透射率為20%，總透射率為約0.15%。由於Tm:YLF 中的準3 級行為，種子光子的重新吸收會發生，直到有足夠數量的Tm3+離子，然後通過泵浦和最終的二對一交叉弛豫相互作用（two-for-one cross- relaxation interaction）被激發到較高的雷射能階。然後將泵浦脈衝持續時間設定為40 毫秒，並將泵浦功率提升至總輸送泵浦功率的73.5% (28.4 kW)，以在20 奈秒持續時間的脈衝內達到21.7 J 的放大脈衝能量。在阻擋種子（seed）進入放大器的同時進行的能量測量表明沒有可測量的放大自發輻射(ASE)，這被多通放大器配置的低角度接受度被動抑制。

對於此泵浦脈衝持續時間，未使用全泵浦功率，以避免將種子脈衝放大到可能損壞裝置內光學元件的通量等級。隨後，對放大器性能進行了進一步的表徵，將泵浦脈衝持續時間從10 毫秒調整為40 毫秒（約為15 毫秒Tm:YLF 輻射壽命），並將總輸送泵浦功率縮放至較短泵浦脈衝持續時間的完整38.6 kW。結果以放大脈衝能量的對數刻度繪製，詳細說明了脈衝能量隨輸入泵浦功率的增加而呈多個數量級的指數增長，表明非飽和放大器操作幾乎可達到最大提取量21.7 J（6.9 J/cm²平均通量），這對應於該緊湊系統的淨4 次通過增益為5400 和輸出峰值功率為1.1 GW。

圖2. 當使用4 mJ、20 ns 脈衝作為種子時，Tm:YLF 放大器的4 次輸出脈衝能量測量值和相應的指數擬合。當使用28.4 kW、40 ms 脈衝進行泵浦時，20 ns 脈衝中的最大脈衝能量為21.7 J（峰值功率為1.1 GW）。結果顯示在線性刻度（頂部）上，使用實線引導眼睛，並在對數刻度（底部）上顯示，總輸送泵浦功率在10 ms 至40 ms 的脈衝持續時間內增加到38.6 kW。

基於Tm:YLF 的高峰值功率雷射系統有望提供高達100 J 級的脈衝能量。為了透過實驗排除Tm:YLF 中潛在的能量提取限制，在向功率放大器注入種子之前，將振盪器設定為以自由運行模式運作。在這種配置下，振盪器產生持續時間為3 毫秒的脈衝（Tm:YLF 輻射壽命的一小部分），這可以在無損雷射強度下增加提取的脈衝能量。為了進一步提高從泵浦Tm:YLF 晶體中提取的能量，在振盪器和功率放大器之間插入了一條旁路，使用鏡子M1-A 至M1-D 代替鏡子M1（如圖1所示） ，以在種子耦合到放大器之前引入兩次額外的傳遞。然後將種子脈衝在時間上與40 ms 泵浦脈衝的末端對齊，並使用基於熱電堆的偵測器（最大脈衝能量500 J，輸入脈衝寬度<500 ms）測量6 次放大脈衝能量。

如圖3 所示，放大器迅速飽和，並在23.6 kW 泵浦功率下產生21.2 J 的放大脈衝能量，幾乎與20 ns 持續時間種子脈衝實現的最大輸出脈衝能量相符。將總輸送泵浦功率進一步提升至36.6 kW，可安全地產生108 J 的放大脈衝能量（34.4 J/cm²平均通量），以及歸因於放大自發輻射的另外1.7 J，這是在放大器的種子入口被阻擋的情況下測量的。在泵浦功率低於36.6 kW 時，ASE 光的能量太低，無法被所使用的偵測器測量。

橫向寄生雷射可以大大降低放大器增益，但被100 mm 直徑Tm:YLF 晶體的大片未泵浦區域被動緩解，由於這種活性材料的準三能級性質，該晶體吸收了入射的橫向ASE。在峰值萃取時，總沉積的泵浦脈衝能量為1464 J（約100 J/cm3可提取能量儲存密度），此桌上型100 J 級Tm:YLF 雷射的光光效率（ptical-to-optical efficiency ）為7.4%。據我們所知，這些結果表明，世界上任何在2 µm 附近運行的雷射系統都獲得了最高的脈衝能量，並最終表明，Tm:YLF 中沒有增益物理現象阻礙高能量密度儲存和提取。

圖3. Tm:YLF 功率放大器中六次放大脈衝能量的測量，泵浦功率高達36.6 kW，脈衝長度為40 毫秒。 3 毫秒長的種子脈衝在泵浦脈衝末端注入，並放大至108 J。

透過多脈衝提取實現高效率的

突發模式操作

我們設計了一個完整的BAT 類雷射系統，不僅可以在高脈衝能量和峰值功率下工作，同時還可以作為一種高效的平均功率裝置，使用MPE 技術，採用CW 雷射二極體泵浦和有效的連續萃取。作為一項原理驗證實驗，利用6 通配置的功率放大器，探索並展示了Tm:YLF 中高效的MPE 操作。 Tm:YLF 晶體的泵浦輸入功率高達18.2 kW，脈衝持續時間為25 ms，以實現穩定狀態，其中泵浦、萃取和自發輻射達到平衡，從而在整個放大過程中導致晶體內的粒子數反轉恆定。在本實驗中，採用自Q 開關（self-Q-switched） Tm:YLF 雷射產生的1.88 µm、6.8 kHz 脈衝串作為種子來源。自Q 開關過程是Tm:YLF 中可飽和基態重吸收的結果，輸出斜率、脈衝持續時間和重複率可以透過改變泵浦功率和晶體溫度等來調整。調整種子的時間分佈以產生幾乎平坦的脈衝突發，其中± 6.4% RMS 脈衝間幅度波動，然後以時間延遲注入放大器，使得種子脈衝序列和泵浦脈衝的末端對齊。放大後，將輸出脈衝功率與總泵浦功率進行比較，以確定在MPE 操作下此二極體泵浦Tm:YLF 系統可實現的光光效率。

圖4 (a)給出了該實驗的結果，其中顯示了放大脈衝串爆發的輸出功率和相應的光光效率。圖4 (b) 放大爆發的時間曲線顯示，在較低的泵浦功率下，由於放大器在非飽和狀態下運作，光光效率低至1.7%，因此斜率在整個持續時間內穩定增加。這裡，放大爆發的平均強度為230 W/cm ²，遠低於Tm:YLF 在1.88 µm時的飽和強度1.4 kW/cm ²（π軸，室溫）。

然而，如圖4 (c)-d 所示，當泵浦功率增加到18.2 kW 時，爆發前端的增益足夠高，足以耗盡泵浦Tm:YLF 晶體內的反轉，且斜率在爆發持續時間的剩餘時間內在準穩態下達到近似恆定的幅度。在這種情況下，放大爆發的平均強度約為4.2 kW/cm ²，遠遠超過飽和強度，導致放大脈衝功率為3.6 kW，光光效率為19%。

在Tm：YLF 多脈衝提取實驗的效率計算中不包括在達到平衡之前在Tm：YLF 晶體內產生初始增益所需的泵浦能量，因為這種貢獻發生在穩態操作之外，並且在放大器的預期長期泵浦和播種（即脈衝串持續時間延長）之後可以忽略不計。透過優化放大器設計和Tm：YLF 晶體參數（包括摻雜密度和材料厚度等），可以進一步提高放大脈衝功率和光光效率。雖然突發內每個脈衝的單獨通量（接近0.6 J/cm²）僅為Tm:YLF 飽和通量增益峰值21.6 J/cm ²的三十六分之一，這種高重複率、多焦耳級Tm：YLF 雷射透過多脈衝提取技術高效運作並處於飽和穩態狀態。

圖4. a) 在多脈衝提取(MPE) 模式下準穩態Tm：YLF 雷射操作中，放大脈衝功率(黑色) 和對應的光光效率(藍色) 隨輸入泵浦功率(25 毫秒時高達18.2 kW) 變化的關係。 bc) 放大脈衝的時間曲線，顯示隨著泵浦功率的增加，脈衝串突發中每個脈衝通過飽和狀態過渡到恆定增益。 d) 為清晰起見，b) 和c) 的包絡曲線以對數刻度顯示。

結論

如他們所說，最初，研究人員的目標是將緊湊、高重複率的BAT 雷射（具有不同類型的脈衝）與產生EUV 光的系統配對，以測試以2 微米波長發射焦耳級脈衝的雷射如何與錫滴相互作用。

LLNL 雷射物理學家Brendan Reagan 表示：「過去五年來，我們進行了理論等離子體模擬和概念驗證雷射演示，為該專案奠定了基礎。我們的工作已經對EUV 光刻界產生了相當大的影響，因此現在我們很高興邁出下一步。

他們在論文中強調，總之，我們在高能量儲存和提取密度下展示了Tm:YLF 的高功率、高效雷射性能。在這裡，採用完全二極體泵浦的桌上型Tm:YLF 系統在4 通遠場多工功率放大器中將4 mJ、20 ns 脈衝放大至21.7 J（1.1 GW 峰值功率）。隨後，透過在放大器中植入自由運行振盪器並引入兩個額外通道，實現了代表完整BAT 雷射設計的更高能量提取，在1.88 µm 處產生108 J 的脈衝能量——這是迄今為止在2 µm 附近運作的任何雷射中提取的最高脈衝能量－光光效率為7.4%。最後，首次在Tm:YLF 中展示了高功率多脈衝提取，將6.8 kHz 脈衝串突發放大至3.6 kW 平均功率。在典型的MPE 方式中，該系統在穩定狀態下表現出19% 的高光光效率，同時保持單一脈衝通量36×低於Tm:YLF飽和通量。這些結果表明Tm:YLF能夠實現高能量、高功率、高效運行，因此是下一代MPE雷射系統的合適且有希望的候選者。