追踪深紫外固态激光源研制：从一个晶体开始
2013年09月09日
作者：陆琦
来源：中国科学报
追踪深紫外固态激光源研制：从一个晶体开始
由中科院承担的深紫外固态激光源系列前沿装备日前通过验收，我国成为世界上唯一能够制造实用化深紫外全固态激光器的国家。
■本报记者 陆琦
“这是我国自主研发高精尖仪器的一个成功范例。”9月6日，由中科院承担的国家重大科研装备研制项目——“深紫外固态激光源前沿装备研制项目”通过验收，验收委员会给出了如是评价。
该系列前沿装备中的深紫外非线性光学晶体与器件平台、深紫外全固态激光源平台，以及基于这两个平台研制的8台新型深紫外激光科研装备各项既定目标全面完成，使我国成为世界上唯一能够制造实用化深紫外全固态激光器的国家。
中科院院长白春礼表示，该项目是中科院相关研究所和科学家在长期科研工作积累的基础上，协同攻关、自主创新取得的重要成果，也是中科院近年来“致力重大创新突破、服务创新驱动发展”的具体体现。
开启深紫外时代
项目从一个晶体开始。
这是一种名为氟硼铍酸钾（KBBF）的晶体。上世纪90年代初，在发现硼酸盐系列非线性光学晶体后，中科院院士陈创天的研究团队经过10余年努力，在国际上首先生长出大尺寸KBBF晶体。
KBBF晶体是目前唯一可直接倍频产生深紫外激光的非线性光学晶体，是在非线性光学晶体研究领域中，继硼酸钡、三硼酸锂晶体后的第三个“中国产”非线性光学晶体。
深紫外非线性光学晶体问世后，如何将其研制成实用化、精密化激光源，则成为一个棘手的问题。
KBBF晶体是层状结构，难以切割，而要做到深紫外倍频又必须切割。为此，陈创天携手激光技术专家、中国工程院院士许祖彦，开始摸索解决办法。
“当时中国大陆还没有这方面的实验装置，我们不得不跑到香港科技大学，借用他们的实验室。”许祖彦回忆说，两个人窝在实验室里，每天工作到深夜一两点，终于搞出了KBBF棱镜耦合器件。
该器件在国际上首次实现了1064nm激光的6倍频输出，将全固态激光波长缩短至177.3nm，首次将深紫外激光技术实用化、精密化，并已获中、日、美专利。
之后两人密切配合，在国际上首次实现KBBF晶体倍频输出深紫外激光，并最终发展出实用化的深紫外固态激光源（DUV－DPL）。
从此，中国开启了深紫外的时代。
从激光源到8台装备
DUV－DPL的研制成功，不仅使得我国激光科技研究突破了200nm以内的“深紫外壁垒”，实现了实用化、精密化，还极大推进了我国科研人员在激光科技研究领域的继续深入。
许祖彦形容自己的工作是“二传手”，“跟上游讨论晶体该长成什么样，向下游询问要什么样的激光”。
他花了一年多时间，跑了二三十个实验室，“推销”DUV－DPL。
深紫外波段（指波长短于200nm的光波）科研装备目前主要使用同步辐射和气体放电等非相干光源。相对于同步辐射而言，在体积方面，配有KBBF晶体棱镜耦合器件的全固态激光器体积变得很小；在能量分辨率方面，比同步辐射提高5~10倍以上；在光子流密度方面，提高了3~5个量级。
2007年年底，财政部专门设立“深紫外固态激光源前沿装备研制”项目，对搭建深紫外非线性晶体和器件研制平台、深紫外固态激光器研发平台，以及研制8台新型DUV－DPL科学仪器，予以专项支持。陈创天、许祖彦担任项目首席科学家。
“为使仪器保持领先，科研人员必须不断调整技术方案。为此，总体部还设立了一个工程监理部，这在国内的科研项目中很少见。”项目总体部总经理、中科院理化所研究员詹文山说。
这样一来，经常要“推倒重来”。身为“二传手”的许祖彦深有体会：在5年多的时间里，满足了仪器研制人员变更技术方案的多项技术要求，解决了光源与8台仪器对接的工程问题。
打造自主创新链
如今，这8台科学仪器已经在石墨烯、高温超导、拓扑绝缘体、宽禁带半导体和催化剂等研究中获得了重要结果。
以深紫外激光光发射电子显微镜（PEEM）为例，目前国际上最先进的光发射电子显微镜空间分辨率最高为20nm，而采用全固态激光器后能提高到3.9nm。中科院大连化物所利用这台仪器开展了石墨烯/Ru（0001）表面插层反应原位观测，为石墨烯等光电子材料发展和应用提供了强有力的研究手段。
詹文山透露，目前2mm以下的KBBF晶体已可小批量生产，满足国内市场需求。8台科学仪器中，PEEM正在逐步进行产业化尝试。
“晶体—光源—装备—科研—产业化，深紫外固态激光源前沿装备研制项目打造了一条自主创新链，涵盖了从提出原创科学思想到实现应用成果这一完整的科学价值链，为学科交叉面广、跨度大、探索性和工程性很强的原创性重大科研装备创新积累了经验，也为中科院各业务管理单元合理分工、深度融合、协力创新提供了典型样本。”白春礼评价道。
“这仅仅是深紫外波段仪器应用的开始。”许祖彦透露，项目二期将从物理、化学、材料拓展到信息、资环、生命等领域，开展6台国际领先水平的仪器设备研制工作，继续推动深紫外技术的深度开发。
同时，在一期任务顺利完成基础上，去年中科院理化所联合北京中科科仪等单位，在科技部支持下启动了深紫外仪器设备产业化开发工作，逐步将研制成功的深紫外仪器设备推向市场。 （原标题《向“深紫”进军》）
《中国科学报》 (2013-09-09 第1版 要闻)