193nm深紫外（DUV）激光因具有高空間分辨率、高光子能量等特點，在半導(dǎo)體器件先進制造、微納材料分析、生物醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。目前廣泛應(yīng)用的193nm氟化氬（ArF）準分子氣體激光器存在體積大、效率低、維護成本高等問題。如果采用氮化鎵（GaN）基近紫外半導(dǎo)體激光器（輸出波長～386nm，其二倍頻波長是193nm）和深紫外倍頻晶體直接倍頻方案，可實現(xiàn)193nm深紫外激光輸出，其轉(zhuǎn)換效率有望顯著提升。然而，這一技術(shù)路徑長期面臨關(guān)鍵材料與核心器件的限制，國外僅日本名古屋大學(xué)、日亞公司等少數(shù)機構(gòu)報道了GaN基近紫外激光器。在深紫外倍頻晶體方面，發(fā)展兼具大倍頻效應(yīng)、高激光損傷閾值、深紫外相位匹配、大尺寸單晶生長等綜合性能優(yōu)異的實用化晶體一直是國際難點。 

近期，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所趙德剛研究員團隊和中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所潘世烈研究員團隊合作，在GaN基近紫外激光器（Optics Letters, 2024, 49: 1305）和氟化硼酸鹽深紫外非線性光學(xué)晶體（NH4B4O6F，ABF）(arXiv: 2503.05019)方面取得系列進展的基礎(chǔ)上，采用大功率386nm GaN基近紫外激光器作為基頻光源，經(jīng)ABF深紫外非線性光學(xué)晶體直接倍頻，成功獲得193nm深紫外激光輸出（圖1）。為進一步驗證，研究團隊同時采用大功率394nm的GaN基近紫外激光器作為基準光源，經(jīng)深紫外非線性光學(xué)晶體直接倍頻，成功實現(xiàn)197nm深紫外激光輸出，進一步驗證了倍頻效果。該成果為實現(xiàn)小型化、長期穩(wěn)定的193nm深紫外激光提供了新方向。

圖1. （a）基于GaN近紫外激光器和ABF深紫外非線性晶體的直接倍頻技術(shù)原理，（b）基頻光源光譜：GaN基386nm和394nm半導(dǎo)體激光器，（c）直接倍頻后獲得的193nm、197nm深紫外激光光譜。 

該成果以“Realization of 193 nm DUV laser through direct frequency doubling with GaN-based UVA laser diode and ABF crystal”為題，作為封面文章發(fā)表于《半導(dǎo)體學(xué)報》（Journal of Semiconductors）。半導(dǎo)體所梁鋒副研究員、新疆理化所張方方研究員為論文的共同第一作者，半導(dǎo)體所楊靜研究員、趙德剛研究員和新疆理化所潘世烈研究員為論文的共同通訊作者。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會、天山創(chuàng)新團隊計劃的支持。 

文章鏈接：https://www.jos.ac.cn/en/article/doi/10.1088/1674-4926/25110004

（來源：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所）