46.9纳米极紫外（EUV）激光脉冲在氮气中的传播

《Optics & Laser Technology》：Propagation of a nanosecond 46.9?nm EUV laser pulse through nitrogen gas

　　

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  研究了纳秒级46.9纳米极紫外（EUV）激光脉冲在氮气中的传播特性。
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  激光的传输强度随压力呈指数衰减，遵循比尔-朗伯（Beer-Lambert）衰减规律。
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  光电离是激光衰减的主要机制，而瞬态等离子体对激光脉冲传播的影响较小。

引言

极紫外（EUV）辐射的光子能量远高于可见光和红外光。它可以通过单光子过程使原子和分子电离，并能高效地将能量传递给物质。由于这些特性，EUV辐射已被广泛应用于纳米光刻[1]、[2]、高分辨率成像[3] [4]以及极端条件下的物质研究（如高温高压环境[5]、[6]）。

为了支持这些应用，人们开发了多种EUV光源，包括激光产生的等离子体辐射[7] [8]、自由电子激光器[9] [10]、同步辐射[11] [12]和毛细放电激光器[13] [14]。其中，毛细放电激光器因其紧凑的结构、较长的增益持续时间和较高的能量转换效率而成为实验室规模的优秀EUV光源[15]。

46.9纳米的毛细放电激光器已被用于EUV成像和激光与物质相互作用的研究[16] [17]。以往大多数相关研究集中在与固体目标的相互作用上[18] [19] [20]，而其与气体的相互作用则较少被探讨。尽管EUV光束通常在真空中传输，但在一些EUV相关环境中仍可能存在气体，例如EUV光源实验中使用的气体喷射、真空系统中的残留污染物气体，以及EUV光刻系统中的可控低压氢气[21] [22] [23]。在这些情况下，EUV光子可以与气体分子相互作用，导致光电离和瞬态等离子体的形成[24] [25] [26]。对于纳秒级EUV激光脉冲，这些过程可能发生在与脉冲持续时间相当的时间尺度上。因此，有必要了解EUV辐射在特定气体中的吸收过程以及激光产生的等离子体的演化情况。

在本研究中，我们探讨了纳秒级46.9纳米毛细放电EUV激光脉冲在氮气中的传播情况。我们测量了在不同氮气压力下激光脉冲的传输能量和时间分布，从而分析了压力对衰减的影响，并比较了两种不同能量情况下的衰减特性。在相应的实验条件下进行了HELIOS-CR模拟，以估算氮原子吸收EUV光子后的电子密度变化。通过结合测量结果和模拟数据，本工作研究了EUV激光脉冲的压力依赖性衰减，并评估了EUV激光诱导的等离子体对激光衰减的影响。

章节摘要

实验装置

图1(a)展示了用于研究46.9纳米EUV激光在氮气中传播的实验装置。该激光器采用毛细放电原理产生，氩气中的等离子体在预电离后通过快速高电流放电产生Z箍缩效应，从而压缩和加热等离子体，形成类Ne的Ar离子并建立 population inversion（电子能级反转），使得在46.9纳米波长处实现受激发射放大。

结果与讨论

图2(a)展示了300μJ能量激光脉冲在低、中和高压下传播后的XRD（X射线衍射）信号，此时主放电电流波形几乎相同。三条曲线显示出EUV激光脉冲典型的压力依赖性衰减特性。随着氮气压力的增加，信号幅度显著减小。

为了量化衰减并比较其对入射激光能量的依赖性，我们对能量进行了计算。

结论

本研究通过XRD测量和HELIOS-CR模拟，研究了纳秒级46.9纳米EUV激光脉冲在氮气中的传播情况。对于两种不同的入射激光能量，激光的传输能量均随氮气压力的增加而减小，并遵循比尔-朗伯型指数衰减规律。在300μJ的能量情况下，透射率从15.9帕时的约81%降至57.0帕时的约8%。两种情况下均观察到了类似的压力依赖性衰减行为。

CRediT作者贡献声明

吴俊驰：撰写——初稿撰写、软件开发、方法论设计、实验实施、数据整理。崔怀宇：撰写——审稿与编辑、方法论设计、实验实施、数据分析、概念化框架构建。赵永鹏：撰写——审稿与编辑、资源调配、方法论设计、实验实施、数据分析。于坤月：数据验证、数据整理。黄然秋：数据验证、数据整理。程凯昂：数据验证、数据整理。赵东迪：数据验证、实验实施、数据整理。

资助

本研究得到了黑龙江省重点研发计划（项目编号2025ZX04A04）和中国国家自然科学基金（项目编号62005066）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本论文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

吴俊驰|崔怀宇|赵永鹏|于坤月|黄然秋|程凯昂|赵东迪