中德合作研发稳态微聚束（SSMB）技术，产生的EUV光源可以满足芯片制造商未来光刻的需求

近日，来自柏林亥姆霍兹中心（HZB）、清华大学和德国国家计量研究所帝国技术物理研究所（PTB）的科学家们正在为未来的相干紫外辐射源奠定基础，这种辐射源被称为稳态微聚束（steady-state micro-bunching，SSMB）。

根据研究人员的说法，SSMB 可以提供一种在电子储存环上产生相干同步辐射的方法，以便在极端紫外(EUV)状态下提供千瓦级的平均功率辐射。由于半导体制造商要求较短的波长来刻蚀较小尺寸的结构，SSMB 可以满足现有加速器技术无法满足的光刻应用的功率级要求。它还可以在高重复率的超高亮度 X 射线辐射的科学和工业的各个领域提供应用。

▲脉冲激光与电子束共同通过 MLS U125波动器并施加能量调制。在电子束的下列通道上，同一波动器充当散热器。利用快速光电二极管检测波荡器辐射，利用光电开关阻断激光脉冲的检测路径。HZB/通信物理提供。

当超快电子被偏转时，它们会发射出同步辐射，这些粒子可以用在储存环中，在储存环中粒子被磁力强迫到一个封闭的路径上。这种纵向非相干光由广谱波长组成，其高度的亮度使其成为材料研究的优秀工具。单色器可以用来从光谱中选择单个波长，但是这会使辐射功率降低许多数量级。

2010年，研究人员亚历山大 · 赵(Alexander Chao) ，目前研究小组的成员表明，如果在储存环中运行的电子束变得比它们发出的光的波长短，发出的辐射就会变得相干和强大。研究人员邓，也是目前的团队成员，为 SSMB 定义了一种具有低阿尔法环的特定类型的圆形加速器的设置。这些光环在与激光相互作用后产生仅有一微米长的短粒子束。“你需要知道存储环中的电子并不是均匀分布的,”研究人员阿诺德 · 克鲁钦斯基说。“它们成群结队地移动，典型的长度约为1厘米，距离约为60厘米。”这个数量级比2010年研究中提出的微束要大6倍，克鲁钦斯基说。2021年，研究人员验证了邓创造的设置，使用他们认为是第一个为低阿尔法操作设计的存储环。通过大量的实验，该团队现在已经完全验证了邓的微束生成理论。“对我们来说，这是迈向新型 SSMB 辐射源的重要一步,”Kruschinski 说。

该团队的系统研究是在一个正在进行的原理验证实验中进行的，在这个实验中，由1064纳米激光施加的能量调制产生了微束聚集。实验结果证实了微聚束过程与激光调制幅度的关系，以及微聚束机理理论描述的准确性。

结果进一步表明，横向-纵向耦合动力学的影响符合研究小组的理论预期，可以高精度地操纵。利用横向-纵向耦合动力学产生有效的微聚束，提出了最有可能实现大功率 EUV 辐射的 SSMB 方案。从 MHz 范围内高重复频率的电子储存环开始，SSMB 可以利用光学激光调制器取代射频腔作为主要的纵向聚焦元件，在圆形加速器中产生持久的微束团。高平均功率相干态可以通过这种方式产生。采用合适的高次谐波产生方案，产生的辐射波长可达到极紫外区，产生功率级适合光刻的极紫外辐射源。SSMB 还可以作为高亮度、窄带紫外线辐射的角分辨光电子能谱学。

尽管已经努力提高自由电子激光器(FELs)产生超短、高峰值功率辐射脉冲到硬 X 射线范围的能力，但是 FELs 还不能在短波长下提供高平均功率辐射。SSMB 有可能填补这一空白。

该团队相信，SSMB 理论的关键部分的确认为继续原理证明努力实现构建原型 SSMB 同步辐射光源的目标奠定了坚实的基础。SSMB 实验的下一阶段的准备工作正在进行中。

HZB 项目经理 Jörg Feikes 认为，SSMB 作为 EUV 实际辐射源的引入还需要一段时间。他认为 SSMB 的发展与 FELs 的发展有一些相似之处。“经过最初的实验和几十年的开发工作，这个想法变成了一公里长的超导加速器,”他说。“这种发展是非常长期的。它从一个想法开始，然后是一个理论，然后有实验者逐渐意识到这一点，我认为 SSMB 也会以同样的方式发展。”

这项研究发表在《Nature Communications Physics》上。