最現代的研究用光源是基於粒子加速器的。

這些都是大型設施，電子在其中被加速到幾乎是光速，然後發射出具有特殊性質的光脈衝。

在基於儲存環的同步輻射源中，電子束在環中旅行數十億轉，然後在偏轉磁體中產生快速連續的非常明亮的光脈衝。

相比之下，自由電子鐳射器（FEL）中的電子束被線性加速，然後發出單次超亮的類似鐳射的閃光。

近年來，儲能環源以及FEL源促進了許多領域的進步，從對生物和醫學問題的深入瞭解到材料研究、技術開發和量子物理學。

現在，一箇中德團隊證明，在同步輻射源中可以產生一種脈衝模式，結合了兩種系統的優點。

2月25日，清華大學工程物理系教授唐傳祥研究組與來自亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心（HZB）以及德國聯邦物理技術研究院（PTB）的合作團隊在Nature上發表了題為《穩態微聚束原理的實驗演示》（

Experimental demonstration of the mechanism of steady-state microbunching

）的論文。

報告了一種新型粒子加速器光源「穩態微聚束」（Steady-state microbunching，SSMB）的首個原理驗證實驗。

該研究與極紫外（EUV）光刻機光源密切相關，有望為EUV光刻機提供新技術路線。

SSMB光源首個原理驗證實驗，中德團隊登上Nature

同步輻射源提供短而強烈的微束電子，產生的輻射脈衝具有類似於鐳射的特性（與FEL一樣），但也可以按順序緊密跟隨對方（與同步輻射光源一樣）。

大約十年前，斯坦福大學教授、清華大學傑出訪問教授、著名加速器理論家趙午和他的博士生Daniel Ratner以提出了「穩態微束」（SSMB）。

趙午教授

該機制還應該使儲存環不僅能以高重複率產生光脈衝，而且能像鐳射一樣產生相干輻射。

來自清華大學的青年物理學家鄧秀傑在他的博士論文中提出了這些觀點，並對其進行了進一步的理論研究。

2017年，趙午教授聯絡了HZB的加速器物理學家，他們除了在HZB操作軟X射線源BESSY II外，還在PTB操作計量光源（MLS）。

MLS是世界上第一個透過設計最佳化執行的光源，在所謂的 「低α模式 」下執行。

在這種模式下，電子束可以大大縮短。10多年來，那裡的研究人員一直在不斷開發這種特殊的執行模式。

HZB的加速器專家Markus Ries解釋說：「現在，這項開發工作的成果使我們能夠滿足具有挑戰性的物理要求，在MLS實證確認SSMB原理」。

「SSMB團隊中的理論小組在準備階段就定義了實現機器最佳效能的物理邊界條件。這使我們能夠用MLS生成新的機器狀態，並與鄧秀傑一起對它們進行充分的調整，直到能夠檢測到我們正在尋找的脈衝模式」，HZB的加速器物理學家Jörg Feikes說。

HZB和PTB專家使用了一種光學鐳射器，其光波與MLS中的電子束在空間和時間上精確同步耦合。

這就調製了電子束中電子的能量。

「這使得幾毫米長的電子束在儲存環中正好轉了一圈後分裂成微束（只有1微米長），然後發射光脈衝，像鐳射一樣相互放大」，Jörg Feikes解釋道。

「對相干態的實驗性探測絕非易事，但我們PTB的同事開發了一種新的光學檢測裝置，成功地進行了探測。」

SSMB概念提出後，趙午持續推動SSMB的研究與國際合作。

2017年，唐傳祥與趙午發起該項實驗，唐傳祥研究組主導完成了實驗的理論分析和物理設計，並開發測試實驗的鐳射系統，與合作單位進行實驗，並完成了實驗資料分析與文章撰寫。

揭示SSMB作為未來光子源潛力的關鍵一步，是在真實機器上演示其機制。在新的論文中，研究人員報告了SSMB機制的實驗演示。

SSMB原理驗證實驗示意圖

實驗表明，儲存在準等時環中的電子束可以產生亞微米級的微束和相干輻射，由1，064奈米波長鐳射器誘導的能量調製後一個完整的旋轉。

結果驗證了電子的光相可以在亞鐳射波長的精度上逐次相關。

SSMB原理驗證實驗結果

在這種相位相關性的基礎上，研究人員

透過應用相位鎖定的鐳射器與電子輪流相互作用來實現SSMB。

該圖示直觀地展示瞭如何透過鐳射調製電子束來產生髮射鐳射的微束，

是實現基於SSMB的高重複性、高功率光子源的一個里程碑。

有望解決EUV卡脖子難題

沒有頂尖的光刻機，是我國半導體行業發展的最大瓶頸。

光刻機的曝光解析度與波長直接相關，半個多世紀以來，光刻機光源的波長不斷縮小，晶片工業界公認的新一代主流光刻技術是採用波長為13。5奈米光源的EUV（極紫外光源）光刻。

大功率的EUV光源是EUV光刻機的核心基礎。簡而言之，光刻機需要的EUV光，要求是波長短，功率大。

EUV光刻機工作相當於用波長只有頭髮直徑一萬分之一的極紫外光，在晶圓上「雕刻」電路，最後將讓指甲蓋大小的晶片包含上百億個電晶體，這種裝置工藝展現了人類科技發展的頂級水平。

而昂貴的EUV光刻機也正是實現7nm的關鍵裝置，目前，荷蘭ASML是全球唯一一家能夠量產EUV光刻機的廠商，而由於禁令，我國

中芯國際

訂購的一臺EUV仍未到貨。

如果中國大陸無法引入ASML的EUV光刻機，則意味著大陸將止步於7nm工藝。

目前ASML公司採用的是高能脈衝鐳射轟擊液態

錫

靶，形成等離子體然後產生波長13。5奈米的EUV光源，功率約250瓦。而隨著晶片工藝節點的不斷縮小，預計對EUV光源功率的要求將不斷提升，達到千瓦量級。

SSMB光源的潛在應用之一是作為未來EUV光刻機的光源。它們產生的類似鐳射的輻射也超出了 “光 ”的可見光譜，例如在EUV範圍內，最後階段，SSMB源可以提供一種新的輻射特性。脈衝是強烈的、集中的和窄帶的。可以說，它們結合了同步輻射光的優勢和FEL脈衝的優勢。

可以說，基於SSMB的EUV光源有望實現大的平均功率，並具備向更短波長擴充套件的潛力，為大功率EUV光源的突破提供全新的解決思路。

EUV光刻機的自主研發還有很長的路要走，基於SSMB的EUV光源有望解決自主研發光刻機中最核心的「卡脖子」難題。

本文的通訊作者唐傳祥教授是清華大學的博士生導師。

1992年9月－1996年3月，考入

清華大學

工程

物理系

碩博連讀。1996年3月獲得工學博士學位， 博士學位論文為“用於北京自由電子鐳射裝置的多腔熱陰極微波電子槍的研究”。

1996年4月獲得博士學位後，留校工作。

1996年7月～1998年6月期間，作為訪問學者到德國DESY工作2年。在DESY工作期間，主要進行超導加速結構的最佳化及測量研究，並與J。 Sekutowicz， M。Ferrario等合作提出了Superstructure的超導加速結構。

1998年6月回國後，繼續在清華大學從事加速器物理、高亮度注入器

、

湯姆遜散射X射線源、

自由電子鐳射

、新加速原理與新型加速結構、電子直線加速器關鍵物理及技術、加速器應用等方面的研究。

參考資料：

https：//phys。org/news/2021-02-reveals-options-synchrotron-sources。html

https：//news。tsinghua。edu。cn/info/1438/84915。htm