深紫外全固態雷射器通過驗收 中國成唯一能實用化製造國家

9月6日，由中國科學院承擔的國家重大科研裝備「深紫外固態雷射源前沿裝備研製項目」在北京通過驗收，使我國成為目前世界上唯一能夠製造實用化、精密化深紫外全固態雷射器的國家。

我國科學家已應用該系列裝備在石墨烯、高溫超導、拓撲絕緣體、寬禁帶半導體和催化劑等領域獲得了一系列重要研究成果，使我國深紫外領域的科研水平處於國際領先地位。

深紫外技術與裝備的發展在物理、化學、材料、信息、生命、資環等學科領域均有重大的應用價值，並將促進交叉學科多領域的發展。但此前深紫外波段科研裝備能量解析度低，光子通量小，且密度低，不能滿足深紫外波段前沿科學發展需求。

9月4日，中科院工作人員在檢查深紫外非線性光學晶體的光透度。

深紫外固態雷射技術突破是中國新型科學儀器研發的難得機遇。據介紹，深紫外全固態雷射源指輸出波長在200納米以下的固體雷射器，與同步輻射和氣體放電光源等現有光源相比具有高的光子流通量/密度、好的方向性和相干性。中科院自上世紀90年代初開始研究深紫外非線性光學晶體和雷射技術。

經過10多年的努力，中科院的科研人員在深紫外雷射非線性光學晶體方面實現突破，在國際上首先生長出大尺寸氟硼鈹酸鉀（KBBF）晶體，並發現該晶體是第一種可用直接倍頻法產生深紫外波段雷射的非線性光學晶體。在此基礎上，科研人員又發明了稜鏡耦合技術（已獲中、美、日三國專利），率先發展出直接倍頻產生深紫外雷射的先進技術，並全面開展新型深紫外雷射科研裝備的研製和學科應用研究，使中國成為當今世界上唯一掌握深紫外全固態雷射技術的國家。

我國科學家在國際上首次生長出可直接倍頻產生深紫外雷射非線性光學晶體，以及發明的稜鏡耦合技術

2007年，財政部設立專項，對中科院深紫外固態雷射源前沿裝備研製予以支持。經過5年多的持續攻關，利用大尺寸氟硼鈹酸鉀晶體和稜鏡耦合專利技術，中科院理化技術所、物理所、大連化物所和半導體所的科研人員在世界上首次研製成功8類8臺集實用化、精密化於一體的深紫外固態雷射源，實現了一系列關鍵指標的突破。

利用這8臺深紫外固態雷射源，科研人員成功研製出了深紫外雷射拉曼光譜儀、深紫外雷射光化學反應儀、深紫外雷射光發射電子顯微鏡、深紫外雷射光致發光光譜儀、深紫外雷射自旋分辨角分辨光電子能譜儀、光子能量可調深紫外雷射光電子能譜儀、深紫外雷射原位時空分辨隧道電子譜儀、基於飛行時間能量分析器的深紫外雷射角分辨光電子能譜儀等8臺科學儀器。 

據了解，目前這8臺儀器已經在石墨烯、高溫超導、拓撲絕緣體、寬禁帶半導體和催化劑等一系列重大研究領域中獲得了重要結果：證實了Pb、O等原子可通過單層石墨烯島的開放邊界進行插層反應，實現石墨烯與襯底之間去耦合；首次發現拓撲絕緣體Bi2Se3的自旋結構和軌道結構是固定在一起；首次觀測到Bi2212能量/動量譜與不同激發光子能量關係。相關研究成果已發表在國際頂級科學期刊上。

6日通過驗收的包括兩個平臺——深紫外非線性光學晶體與器件平臺和深紫外全固態雷射源平臺，以及深紫外雷射拉曼光譜儀等8臺科學儀器。驗收委員會的專家認為，這些儀器設備的研製成功及在石墨烯、高溫超導、拓撲絕緣體、寬禁帶半導體和催化劑等研究中獲得的重要成果，「使我國深紫外領域的科學研究水平處於國際領先地位，並在物理、化學、材料、信息等領域開創了一些新的多學科交叉前沿。」「該項目取得的研究成果屬於原始創新工作，具有重要意義，並對繼續開拓深紫外雷射的應用具有十分重要的意義。」

9月4日，中科院工作人員在基於飛行時間能量分析器的深紫外雷射角分辨光電子能譜儀上進行操作。

中科院院長白春禮在驗收會上表示，深紫外全固態雷射源前沿裝備研製項目的實施，初步打造了我國「晶體－光源－裝備－科研－產業化」的自主創新鏈，涵蓋了從原創科學思想的提出到應用成果的實現這一完整的科學價值鏈，為學科交叉面廣、跨度大、探索性很強的原創性重大科研裝備創新積累了經驗。

白春禮說，科研裝備創新能力是衡量一個國家科技創新能力的重要標誌。現代科技的進步越來越依靠科學儀器的創新和發展，科研儀器裝備的突破，往往催生新的科研領域，產出重大創新成果。迄今為止，至少有1/3的諾貝爾物理和化學獎授予了那些在測試儀器和實驗方法方面有重要創新的科學家。所以，我國要實現重大科學突破，不僅要有創新自信，要善於提出原創科學思想和方法，而且要發展出新的試驗手段，研製出新的儀器裝備。

據悉，在科技部支持下，中國科學院啟動了深紫外儀器設備的產業化開發工作，逐步將研製成功的深紫外儀器設備推向市場。同時，在財政部支持下，中國科學院啟動項目二期工作，還將研製6臺國際領先水平儀器設備，將研製大動量極低溫深紫外雷射光電子能譜儀、深紫外雷射調製反射光譜儀等儀器設備，推動深紫外技術深度開發。

 

 

 

深紫外雷射源研究：推倒200nm上的一堵牆

雷射技術的發展讓人類的視野不斷拓寬。但多少年來，波長小於200nm的深紫外波段，一直是個神秘又難以逾越的坎。

200nm上的這堵「牆」把人類擋在了外面。由於深紫外雷射源的缺席，許多重要的科學研究只得擱置。

但中科院的一群科學家不能接受這樣的現實。30年來，他們不但找到了深紫外光學材料和雷射源，還研製出8臺深紫外固態雷射源裝備。自2008年啟動以來，「深紫外固態雷射源前沿裝備研製項目」進展順利，多臺儀器已初步用於前沿科學研究。正如項目首席科學家、中國工程院院士許祖彥所說：「上帝沒有給我們一個這麼好的光源，我們就要自己去找。」

9月6日，「深紫外固態雷射源前沿裝備研製項目」首席科學家、中科院院士許祖彥在項目驗收會上做項目研製總報告。

突破200nm

上世紀90年代初，非線性光學晶體接連將Nd：YAG雷射波長從近紅外拓展到可見光，甚至近紫外波長區。這帶給人們一種隱約的希望：如果能找到一種晶體，使雷射波長拓展到深紫外光譜區，人類將有望認識一個前所未有的世界。

在這樣的背景下，中國科學家介入了這一課題。

「80年代我們獲得了第一批國家科研基金，15萬元。」項目首席科學家、中科院院士陳創天告訴《科學時報》記者，雖然現在看來這筆錢並不多，但當時已是很了不起的事了。

在這筆經費的資助下，陳創天的研究如虎添翼。1991年，他在發現硼酸鹽系列非線性光學晶體後，運用分子設計工程學方法發現了KBBF晶體。5年後，他證實了此晶體可實現深紫外相干光輸出，最短波長達到184.7nm。

從此，深紫外的時代開啟了。在此基礎上，陳創天研究組於2005年陸續發現了RBBF、CBBF等非線性光學晶體，從而拿到了完整的KBBF族非線性光學系列晶體。

許祖彥則形容自己的工作是「二傳手」。深紫外非線性光學晶體問世後，如何將其研製成實用的精密化雷射源，並配合後續的儀器研製，是他面臨的最大難題。

但20多年前，中國大陸還沒有這方面的實驗裝置，陳創天和許祖彥不得不跑到香港科技大學，借用了他們的實驗室。兩個人窩在實驗室裡，每天工作到深夜一兩點，終於搞出了KBBF晶體稜鏡耦合裝置。目前，該裝置仍是該晶體唯一的實用化技術。

KBBF稜鏡耦合器件

KBBF晶體

之後兩人密切配合，在國際上首次實現KBBF晶體倍頻輸出深紫外雷射，並最終發展出實用化的深紫外固態雷射源。

2009年，英國《自然》雜誌發表評論文章稱，KBBF晶體「真是一塊完美的晶體，它確實可促使某些領域向前發展」。

「看到圖像的那一刻，什麼都值了」

深紫外光源的問世儘管已經震驚世界，但對許祖彥來說，他的工作才只做了一半。

「科技發展如此之快，為保證我們的儀器始終保持領先，科研人員必須不斷調整技術方案。」項目工程總體部總經理、中科院理化所研究員詹文山說。為此總體部還設立了一個工程監理部，這在國內的科研項目中都很少見。

對這種經常要推翻重來的工作方式，許祖彥表示「很理解」。在3年多的時間裡，他的團隊滿足了儀器研製人員變更技術方案的多項技術要求，解決了光源與8臺儀器對接的工程問題。

2011年10月27日，中國科學院院士、中科院深紫外固態雷射源前沿裝備研製項目科學家陳創天（左）與實驗室科研人員，向媒體展示研製成功的一種光學晶體。

中科院大連化學物理研究所研究員傅強是「深紫外雷射光發射電子顯微鏡（PEEM）」子項目的負責人。「PEEM就像一條美人魚，『頭』是電子發射技術，『尾』是電子顯微鏡技術。這種技術可對物質表面結構、電子態、化學反應等進行原位、動態研究，在化學、物理、材料等領域有著重要應用。」

但是，現有的PEEM激發光源為氣體放電光源或者同步輻射光源，這些光源亮度較低，空間分辨能力一般只能達到20～50nm，限制了PEEM的廣泛應用。

2007～2009年，傅強等人利用深紫外雷射高能量、高光束流強度、相干性等優點，研製出一套性能優越的深紫外雷射PEEM系統。利用這臺儀器，大連化物所已在石墨烯原位生長、界面限域化學反應等領域取得了一些初步成果。

「我們第一次做這種儀器，中間遇到很多困難，有半年多的時間情緒也很低落。」傅強坦陳，「不過2009年夏天，我們第一次看到了顯微鏡成像圖，那一刻覺得什麼都值了。」

與深紫外光電子發射顯微鏡類似，深紫外拉曼光譜儀、深紫外雷射光化學反應儀、深紫外雷射光致發光光譜儀、深紫外雷射自旋分辨角分辨光電子能譜儀、深紫外雷射原位時空分辨隧道電子譜儀、基於飛行時間能量分析器的深紫外雷射角分辨光電子能譜儀均達到國際領先水平。另一臺光子能量可調深紫外雷射光電子能譜儀也基本研製完成，正在調試當中。

不過，對更多的中國科研工作者和社會公眾來說，這個總投資1.8億元人民幣的項目，究竟有著怎樣的應用前景？

 

 

 

以「短」見長的深紫外

目前已有的深紫外光源一類是準分子雷射器，另一類是同步輻射光源。準分子雷射器脈寬寬，難以滿足激發態快速動力學過程的研究；而同步輻射光源雖具有較快的時間分辨，但裝置體積巨大，科研人員只能把實驗搬過去做，帶來許多不便。

深紫外固態雷射源在時間、空間和能量解析度上，都有著絕對優勢。「更重要的是，這些儀器裝備將來有望小型化，甚至可以進行市場化推廣。」中科院院士李燦介紹。

李燦負責研製的深紫外拉曼光譜儀就是一個例子。目前這臺儀器已初步應用於催化、材料、能源、生物、環境等領域。在水汙染檢測中，儀器靈敏度達到了環境水汙染國際最低檢測限。「只要一滴水就能檢測水汙染。」

詹文山透露，目前2mm以下的KBBF晶體已可小批量生產，滿足國內市場需求。受國家工業水平限制，8臺儀器還不能全部實現商業化，但中科院已在考慮選取其中的1至2個，逐步進行產業化的嘗試。

2006年，時任中科院院長路甬祥在中科院物理所考察時曾說：「如果沒有儀器設備的自主創新，也很難有新的理論上的突破。一種新儀器新裝備的誕生，往往是打開一個新方向新領域的關鍵橋梁。」

這句話，許祖彥一直記得，項目團隊的每一個成員也記得：「這些年來，我們證明了『材料―器件―裝備―科研―產業』的自主創新鏈是可行的，也證明了中科院此類研究性和工程性均很強的科研項目是可行的。」

中國科學院理化技術研究所在KBBF晶體的生長和應用方面取得突破，生長出20×10×3.7mm3全透明單晶，首次實現了深紫外177.3nm高功率雷射輸出和170nm-210nm可調諧雷射輸出，將非線性光學晶體應用範圍從可見、紫外一直擴展到深紫外光波段。

9月4日，中科院的工作人員在操作深紫外雷射光化學反應儀。

深紫外雷射自旋分辨/角分辨雷射光電子能譜光源部分

深紫外雷射自旋分辨/角分辨雷射光電子能譜譜儀部分

9月4日，中科院的工作人員在觀察深紫外全固態雷射源平臺的運行情況。