超短超强激光脉冲驱动的高次谐波是一种极紫外到软X射线波段的光源，具有指向性好、时空相干性高、亮度高等优点。高次谐波不但是在阿秒时间尺度上研究电子动力学的基础，而且其各类技术优点也使之成为一种有效的桌面型极紫外相干光源，在集成电路制造在线检测、材料科学、生物医药等领域中具有广泛应用。然而，受限于传统钛蓝宝石固体飞秒激光的平均功率和高次谐波传播过程中的转换效率，目前高次谐波极紫外光源的平均功率亟待提高。介绍了高重复频率、高平均功率高次谐波极紫外光源的产生方式及其应用。首先介绍了光纤、固体、啁啾光学参量放大器等新型高重复频率、高平均功率飞秒激光驱动源在高次谐波产生方面的研究进展，之后讨论了激光高次谐波在弱电离气体介质中的宏观传播效应和相位匹配条件。在此基础上，介绍了高平均功率高次谐波极紫外光源在成像检测方面的应用。

高重复频率极紫外光源已被广泛应用于电子动力学研究，并且在阿秒谱学研究和显微成像中有广阔的应用前景。高重复频率极紫外光源正在朝更高重复频率、更高光子通量、更高光子能量和更短脉宽的方向发展。介绍了高重复频率极紫外光源的产生和调控，以及极紫外光源应用的分辨能力优化，并展望了高重复频率极紫外光源的未来发展趋势。

自本世纪初超快科学进入阿秒领域以来，阿秒脉冲以其超宽频谱和超短时间分辨，为研究阿秒时间尺度的瞬态过程提供了有力工具，推动了人们对光与物质相互作用以及微观超快动力学机制的理解。基于高次谐波的单个阿秒脉冲产生技术已日臻成熟，通过发展多种时空选通门技术，阿秒脉冲脉宽不断缩短，已达到的最短纪录为43 as。相较于阿秒脉冲的产生，对其精确测量与表征是深入研究和应用的基础，目前主流表征方法是通过阿秒条纹相机技术测量获得条纹能谱，进而从中提取阿秒脉冲的时域信息。首先简要回顾了高次谐波产生、单个阿秒脉冲选通及测量的发展，然后介绍了阿秒条纹相机技术的原理，并重点阐述了基于阿秒条纹能谱的表征算法，对其主要优缺点进行分析，最后对阿秒脉冲表征的发展进行了总结和展望。

超短强激光脉冲与物质相互作用产生的高次谐波辐射是一种相干的极紫外或软X射线光源，并且在时间上还是阿秒脉冲串。在不同介质中探寻更有效的高次谐波产生方案一直是研究热点。利用飞秒激光烧蚀低密度等离子体羽可将高次谐波扩展到几乎任何固体材料，极大地丰富了媒介的选择性。由于某些材料的等离子体内低电离态离子共振跃迁频率与谐波波长存在匹配，使得在极紫外波段特定阶次谐波表现出明显的共振增强效应，从而能够获得强单色的高次谐波辐射。结合纳米颗粒的近场增强效应和较大的电子回撞截面，极紫外波段的高次谐波转换效率可以进一步得到提高。激光等离子体高次谐波有望产生高脉冲能量、增强阶次可调和高重复频率的相干极紫外辐射。综述单阶谐波共振增强效应的产生原理和研究进展，分析各种优化方法和光场调控手段，并对未来的发展趋势进行展望。

极紫外（EUV）光刻是7 nm及以下技术节点芯片大规模量产的关键技术。随着技术节点的减小、工艺复杂性的增加，芯片的良率面临着巨大挑战。边缘放置误差（EPE）是量化多重曝光技术过程中制造图案保真度的最重要指标。EPE控制已成为多重曝光和EUV融合光刻时代最大的挑战之一。EPE是关键尺寸（CD）误差和套刻误差的结合。在EUV光刻中，光学邻近效应和随机效应是引起光刻误差的重要因素。光学邻近效应校正（OPC）可以使EPE最小化。对于最先进的技术节点，EPE通常由随机效应主导，因此需要对EPE进行建模，尤其是需要对随机效应进行严格的建模，以分析影响EPE的关键参数。选择不同的测量手段对关键参数进行测量并优化EPE是提高芯片良率的重要途径。本文首先综述了EPE在EUV光刻中的重要作用，然后讨论了OPC和随机效应、EPE模型及涉及的关键参数，并介绍了关键参数的测量方法，最后总结和展望了与EPE相关的技术。

极紫外光刻技术是支撑最先端半导体芯片制造工艺的关键核心技术，有力推动了3 nm工艺节点的量产以及2 nm工艺节点的研发进程。极紫外光刻中的随机缺陷是限制其良率提升的关键难题。一方面，急剧减小的光刻图形特征尺寸对光刻胶各组分化学结构的规整性要求越来越高，而光刻胶中存在的组分不均一、后烘过程中光酸迁移距离以及位置的不确定性等因素都会导致缺陷，这些统称为化学随机性问题。另一方面，极紫外光源的波长（13.5 nm）较短，致使其光子密度很低，仅为上一代ArF光刻工艺中所使用光源（193 nm）的1/14，因此光子的散粒噪声大幅增加，导致了不可避免的光子随机性问题。这些问题的存在，使得EUV光刻胶中的材料体系在分子尺寸、分布均一性等方面较上一代光刻材料有着更严格的要求。本文系统性综述了近年来针对极紫外光刻胶中上述随机性问题的研究，并从化学随机性、光子随机性以及计算模拟三个方向对研究现状进行了追踪。

未来极紫外光刻技术的发展亟需更高功率的光刻光源，能量回收型自由电子激光光源可以实现千瓦量级以上的功率输出，是一种极具潜力的高功率极紫外光刻光源。主要介绍了高功率能量回收型自由电子激光光源的工作原理、发展现状以及所面临的关键技术挑战。

极紫外探测器在电子工业、空间探索、基础科学等领域有着无法替代的作用。本文综述了不同类型极紫外探测器的优势及研究进展，包括气体探测器、闪烁体、微通道板以及半导体极紫外探测器，重点介绍了具有优异抗辐照能力的宽禁带半导体极紫外探测器及其潜在的应用优势。最后，本文展望了极紫外探测器在耐辐照功率监测、高分辨极紫外成像和高抑制比极紫外微光探测等方面的应用前景，并指出了其面临的主要挑战。

毛细管放电极紫外激光是一种小型化的纳秒极紫外激光光源。相比自由电子激光和同步辐射等短波长光源，该光源具有运行成本低、单脉冲能量高和机时充足等显著优势。随着毛细管放电极紫外激光光源的发展，其输出已提高至深度饱和区，并且实现了重复频率输出、多波长输出等多样化输出方式。小型化的灵活性和优质的输出参数使其逐渐成为进行极紫外激光应用研究的理想光源。本文介绍了自1994年毛细管放电极紫外激光成功输出至今，该光源在微纳结构加工、物质成分检测、生物科学以及高分辨成像等领域的前沿应用。在微纳加工方面，极短的波长和极小的能量衰减深度使得该光源能够在纳米量程内进行材料的刻蚀。同时，较长的激光脉宽增加了极紫外激光诱导自组织微纳结构的可能性。在物质成分检测方面，极紫外激光的高能量光子能够以单光子电离材料表面，结合飞行时间质谱仪测量纳米尺度范围内的材料成分，便可实现超高分辨的物质组成分布检测。在生物科学领域，极紫外激光能够实现对微观生物样本的三维成分扫描，获得更多的表征信息。在高分辨成像方面，基于极紫外激光的短波长和良好的相干性，以Gabor同轴等方法进行高分辨成像能达到接近照明光水平的成像分辨率。已有的应用成果表明，毛细管放电极紫外激光是探索微观世界、制造微观结构的有力工具。在人类对短波长光源需求日益增长的今天，毛细管放电极紫外激光将有更多的机会展现它的应用价值和优势。

集成电路的生产主要依靠光刻技术为主的工艺体系，采用波长为13.5 nm光源的极紫外光刻是当前最先进的商用规模量产光刻技术，为集成电路的发展带来前所未有的进步。根据瑞利判据，为进一步提高分辨率，以波长6.X nm为光源的下一代“超越极紫外”光刻成为研究热点。多层膜反射镜是极紫外光刻机光学系统中的关键器件，其反射率和寿命决定光刻机的曝光效率与成像质量。综述了6.X nm多层膜的研究进展，对近年来6.X nm波段的极紫外光源以及多层膜的设计、制备和表征等方面进行了介绍和分析。重点阐述了6.X nm多层膜的界面优化方法，并讨论了多层膜在工程应用中的老化和性能衰减等问题，对面向未来商业应用的方向做出了展望。旨在为我国从事先进光刻等相关研究工作的学者、工程师等提供重要参考。

开发了由高重复频率（3 kHz）高能量（3 mJ）钛蓝宝石激光器驱动的极紫外和软X射线高次谐波激光光源。该光源系统在30 nm（光子能量为~45 eV）波长附近实现了大于120 μW的平均功率，在13.46 nm波长（光子能量为~92 eV）处实现了1.9 μW的平均功率，其中在13.46 nm波长处带宽为0.124 nm的单个谐波实现了0.32 μW的平均功率。此外，在该系统中，激光功率连续12 h的不稳定性均方根小于5%，连续8 h光束指向均方根小于10 µrad。该系统在生物成像、干涉光刻和芯片检测等领域中具有重要应用。

极紫外光源在半导体制造中的掩模检测、显微成像以及光谱计量等环节中有着重要的应用。激光诱导放电等离子体是产生极紫外光源的重要技术手段之一，搭建了一套二氧化碳激光诱导放电产生锡等离子体的实验装置，对产生的极紫外光谱进行了收集探测，并结合辐射磁流体动力学模拟对极紫外的辐射特性进行了分析。实验对比了激光等离子体和放电等离子体的极紫外辐射特性的区别，发现放电电压对激光诱导放电等离子体极紫外光的带内辐射强度有着重要影响。模拟发现，当电压为15 kV时，极紫外辐射总能量达到65.0 mJ，转化效率达到0.23%，光谱纯度达到1.69%。

报道了一种高重复频率、宽波段连续可调谐的紫外/深紫外超短脉冲激光器，调谐范围为192~300 nm。该激光器采用可调谐的钛宝石锁模激光器作为基频光源，通过优化设计多级倍频/和频组合与非线性晶体角度，分三个波段进行频率上转换，分别产生了192~210 nm、210~250 nm、250~300 nm的深紫外/紫外激光，最终合成一路覆盖192~300 nm的连续可调谐超短脉冲激光，同时还获得了调谐范围为375~500 nm的紫外/可见光波段的激光输出。光束切换、晶体角度调节、群速补偿、光束指向稳定等过程的电控设计，使得激光器在整个调谐过程中可由程序控制，无需复杂的人工调节，具备了单台激光器的可操控性和实用性。

Mo/Si多层膜是13.5 nm极紫外波段理想的反射镜膜系，它与极紫外光源的结合使得极紫外光刻成为了目前最先进的制造手段之一。极紫外光源的实际应用对Mo/Si多层膜提出了高反射率、高热稳定性、抗辐照损伤、大口径等诸多要求。针对极紫外光源用Mo/Si多层膜面临的膜厚梯度控制和高温环境问题，利用掩模板辅助法对大口径曲面基底上不同位置处的多层膜膜厚进行修正；选择C作为扩散阻隔层材料，对磁控溅射法制备的Mo/Si、Mo/Si/C和Mo/C/Si/C三种多层膜在300 ℃高温应用环境下的热稳定性展开了研究。研究结果表明：通过掩模板辅助的方式能够将300 mm口径曲面基底上不同位置处的Mo/Si多层膜膜厚控制在预期厚度的±0.45%以内，基底上不同位置处Mo/Si多层膜的膜层结构和表面粗糙度基本相同；引入C扩散阻隔层后，经过300 ℃退火，Mo/Si多层膜的反射率损失从9.0%减少为1.8%，说明C的引入能够有效减少高温对多层膜微结构的破坏和对光学性能的影响，提高了多层膜的热稳定性。

基于使用气体放电等离子体（DPP）极紫外（EUV）光源自研的小型反射率测试装置，分析了DPP光源参数及不同型号探测器对反射率测试的影响，提出了一种能量归一化的反射率测试方法，并测试了13.5 nm波长下Mo/Si多层膜反射镜的反射率特性。研究结果表明：在相同光源参数下，SXUV100型探测器的极紫外能量探测性能优于AXUV100G型；通过归一化使光能量波动对反射率测试光束的波动误差从6.2%降低到0.64%，多层膜反射镜的峰值反射率的测量重复性从4.34%提高到0.69%，与国外同等实验装置精度相当，实现了高精度反射率测试，可为极紫外光刻机的光学元件提供反射率测试。

获得13.5 nm极紫外光刻光源的主流方案为激光激发等离子体，即利用高功率、高重复频率、高光束质量的短脉冲CO₂激光与液滴锡靶作用产生极紫外光。高功率CO₂激光由振荡器产生的高重复频率CO₂种子经多级放大产生，所以功率放大器是驱动光源系统的核心器件之一。建立了射频激励快轴流CO₂激光放大器的六温度模型，可以模拟计算放大过程中稳态与瞬态的能量分布情况、光强变化情况、增益系数等。以此模型为适应度函数，采用遗传算法对自研射频激励快轴流CO₂激光放大器的腔压和CO₂、N₂、He气体体积比进行全局优化，优化结果为80 mbar（1 bar=100 kPa）和V（CO₂）∶V（N₂）∶V（He）=12.2%∶15.3%∶72.5%。在波长10.6 μm种子光注入功率110 W的情况下，放大器的激光输出功率从2504 W 提高到3422 W，验证了该方法的可行性和有效性。

976 nm高功率半导体激光芯片是光纤激光器的核心部件，具有极为重要的产业价值。报道了课题组在高效率高功率半导体激光芯片的设计、制作与测试方面的研究成果。为了最大限度地提高器件的功率转换效率，同时满足苛刻的寿命要求，在设计上采用双非对称大光腔波导结构，同时对量子阱结构、波导结构、掺杂以及器件结构进行了优化；在外延生长方面，系统地优化了生长工艺参数，确保了外延材料具有极高的内量子效率及低内损耗。大量测试表明：所制作的器件（腔长为5 mm、发光条宽为200 μm的芯片）在室温、连续波（CW）测试条件下，阈值电流约为1 A，斜率效率为1.14 W/A；当电流为9 A时，最高功率转换效率高达72.4%；当电流为30 A时，输出功率达到29.4 W，功率转换效率为61.3%；对应于95%光场能量的水平远场发散角低至8.7°。上述参数性能已经达到了国际同类产品的先进水平。

研究了高重复频率的谐波自锁模Nd∶YVO₄激光器。理论证明了当增益介质与谐振腔的光学长度的比值接近最简分数时，激光器的纵模模式间距可以被修改为增益介质自由光谱范围的整数倍，并对应谐波锁模脉冲输出。开展了相关实验，结果表明，当泵浦功率为6.57 W，增益介质和谐振腔的光学长度分别为11.0 mm和25.8 mm时，对应最简分数为3/7，获得了3倍增益介质自由光谱范围的模式间距纵模分布，对应谐波锁模脉冲的重复频率为40.92 GHz，平均输出功率为790.7 mW。实验还发现，当固定增益介质的光学长度时，获得的谐波锁模脉冲输出对应的谐振腔腔长存在锁定范围，进一步验证了谐振腔腔长锁定范围与增益介质的光学长度成正比。

3~5 μm中红外波段激光在大气中具有较高的透过率，因此被广泛应用于光电对抗等领域。报道了基于掺杂氧化镁的周期极化铌酸锂（MgO∶PPLN）晶体的kHz、mJ量级的中红外光学参量振荡器（OPO）。采用纳秒脉冲1064 nm激光泵浦基于多周期MgO∶PPLN晶体的OPO，OPO采用泵浦双通单谐振平凹腔结构。中红外激光的重复频率为1 kHz，4.08 μm处输出的最高单脉冲能量达到1.041 mJ。最高光-光转换效率为16.8%，斜效率为19.3%，中红外激光脉宽约为9.53 ns。在最高能量输出时，OPO运转30 min时输出功率的均方根（RMS）为0.24%。通过温度-极化周期结合的调谐方式，OPO在3.49~4.18 μm的较宽范围内都能够保持0.9 W以上平坦的高能量输出。在极化周期27.5~29.6 μm以及温度25~200 ℃的调节范围内，闲频光波长的调谐范围为3.49~4.48 μm。实现了重复频率为kHz量级、单脉冲能量为mJ量级的可调谐中红外输出，其在光电对抗领域具有应用价值。

深紫外激光具有光子能量高、波长短等特点，在激光加工、半导体光刻等领域中具有重要的应用价值。固体激光非线性频率变换是实现高功率、高相干性深紫外激光输出的主要方式之一。采用全固态532 nm激光作为基频光、国产商用CsLiB₆O₁₀（CLBO）晶体作为频率变换晶体，在基频光功率为34.2 W时，实现了平均功率为14 W、重复频率为100 kHz、脉冲宽度为1.8 ns的266 nm深紫外激光输出，光-光转换效率达到41%。该深紫外光源具有效率高、结构紧凑的优点，验证了国产商用CLBO晶体的实用性，可进一步获得更稳定、更高功率的深紫外激光输出。

超稳激光是精密测量领域的关键工具，其频率稳定度很大程度上取决于频率锁定稳定度。笔者理论研究了干涉效应对锁频误差信号的影响，并通过实验研究了降低干涉效应的方法，以提高激光的频率锁定稳定度。经过优化后，锁频系统的锁定稳定度相对于参考腔线宽达到了9×10-7。在参考腔线宽为21 kHz（精细度为7.5万）的情况下，将1.5 μm激光的频率稳定度锁定到4.0×10-16水平，接近10 cm参考腔的热噪声极限。本文所提降低干涉效应的方法是研制稳定度高达10-17水平的超稳激光器的重要参考。