“2023雨果·盖革奖”-10mW高次谐波极紫外/XUV光源

如要要在电磁波谱上选出在当下、在未来最亮眼的一抹颜色，那一定就是极紫外光(EUV)。在这种特别短波光谱范围内的 EUV 光的帮助下，有可能生产出比以往更小、更强大的芯片。但进一步的研究面临一个问题：使用类激光的 EUV 光的实验通常只能在昂贵的大型研究设施中进行。

现在，弗里德里希席勒大学的科学家 Robert Klas 开发了一种紧凑型的极紫外激光模块，有助于以更为经济的方式产生 EUV 光，这为半导体制造和显微镜方面的潜在应用带来了更多的可能。Klas 也因此荣获了“雨果·盖革奖”。

Robert Klas 在他的博士论文中开发了一种用于产生类似激光的 EUV 光的紧凑型模块。到目前为止，产生这样的 EUV 光需要依靠同步辐射，而 Klas 现在提出了一种新的有效的方法，在一个实验室工作台大小的设施中产生类激光的 EUV 光。Klas 的博士论文基于耶拿弗里德里希席勒大学、耶拿亥姆霍兹研究所和弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所合作，提供了迄今为止实验室规模上最强大的类激光的 EUV 源，平均功率为 10 毫瓦—这比他开始攻读博士学位时最先进的同类系统功率高出 100倍。

Robert Klas 获“2023雨果·盖革奖”

在他的工作中，Klas 在解决激光光学中的一个重大挑战。一个重要的原理是，波长越短，产生激光辐射就越困难。在他的研究波长范围是 10 到 50nm。1nm 相当于 1mm 的百万分之一。简而言之，极紫外光极难像激光那样直接产生。

为了解决这个问题，Klas 使用了高功率超短脉冲光纤激光器，通过高谐波产生将他们转换成 EUV 光。为此，Klas 将高功率激光聚焦在惰性气体中。在这个过程中，电子在几百阿秒内被加速。一个阿秒是一百万亿分之一秒，Klas 用一个比较来说明这个数量级：“一阿秒之于一秒，就像一秒之于我们的世界年龄。”在这个难以想象的短时间内电子被加速，随后与母离子重新结合而产生宝贵的 EUV 光。

主要的挑战是如何相干地叠加释放的辐射，也就是说，如何控制它，使其在 EUV 光谱中所谓的波峰叠加起来，最终可以被束成一束激光。通过正确选择激光参数和气体密度，Klas 成功地以高效的方式产生了具有类似激光参数的 EUV 辐射。与高功率激光器相结合，EUV 的性能显著提高。

使用高功率超短脉冲激光器

由 Robert Klas 开发的实验室级 EUV 光源

Klas 相信，他的工作将极大地促进 EUV 光的进一步研究和应用：“未来，我的博士论文成果有望推动芯片的能量和存储效率以及生物学和医学许多关键领域的发展。”Klas 已经在实验室规模上测试了他的新型 EUV 源的第一个潜在应用。他已经将注意力转向无透镜显微镜，特别是在几纳米范围内的成像。

 “在曝光波长为 13.5nm 的情况下，我们已经实现了 18nm 的分辨率，”相比之下，传统光学显微镜的分辨率仅略低于 500nm。“在一个实验中，我们实现了一个 100 x 100mm 的视场。这意味着我们可以在一张图片中覆盖一个足球场的大小，并在其中找到一枚硬币。

使用基于 EUV 的显微镜，可以生成正在研究的样品的彩色图像。通过这种方式，研究人员可以观察细胞内部，并区分不同元素或不同物质的比例，如碳、脂质等。“在如此高的分辨率下，这将是一件新鲜事，” Klas 强调，“利用我们的技术，我们可以用它来推进未来的生物学和医学研究，希望能研究不同类型的病毒。在某种程度上，我们还希望能够使用这种方法对直径约为 2nm 的 DNA 进行成像。”