深紫外调激光器

在2009年4月9日召开的“2009中国科学仪器发展年会”上，中国科学院理化技术研究所许祖彦院士作题为“DUV-DPL”的大会特邀报告，DUV- DPL为全固态深紫外激光器。 　　全固态深紫外激光器是我国具有自主知识产权的核心技术，在此项技术研发出来以前，我国科学仪器缺乏实用化、精密化的深紫外激光相干光源，致使我国深紫外激光仪器发展缓慢。全固态深紫外激光器研制的成功，使得我国激光科技研究突破了200nm波段的深紫外壁垒，实现了科学仪器的实用化、精密化。 　　全固态深紫外激光器(DUV-DPL)作为核心部件可应用在多种光谱仪器上，例如：深紫外激光光电子能谱仪、深紫外激光光谱仪、深紫外激光显微镜、深紫外光化学反应仪、深紫外气溶胶质谱仪等科学仪器。以全固态深紫外激光器为核心部件的科学仪器，其主要功能是：获取新数据，发现新现象，开拓新方向。 　　全固态深紫外激光器已申请到了中国、日本、美国的专利，就目前情况而言，中科院的专利已垄断了深紫外全固态激光研究的全部领域。这极大推进了我国科研人员在激光科技研究领域继续深入，促进了我国前沿科学、光电子产业发展，为这一技术研究领域在国际上持续保持优势地位奠定了坚实的基础。 　　深紫外激光器已应用于物理、化学、材料科学等领域，将在在信息、资环、生命等领域应用，这将为各大学科提供全新研究手段，对科研活动起到革命性的推动作用。

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。 　　&ldquo 这是我国自主研发高精尖仪器的一个成功范例。&rdquo 9月6日，由中科院承担的国家重大科研装备研制项目&mdash &mdash &ldquo 深紫外固态激光源前沿装备研制项目&rdquo 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&ldquo 致力重大创新突破、服务创新驱动发展&rdquo 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&ldquo 中国产&rdquo 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。 　　&ldquo 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。&rdquo 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&ldquo 深紫外壁垒&rdquo ，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&ldquo 二传手&rdquo ，&ldquo 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&rdquo 。 　　他花了一年多时间，跑了二三十个实验室，&ldquo 推销&rdquo 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&ldquo 深紫外固态激光源前沿装备研制&rdquo 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。 　　&ldquo 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。&rdquo 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&ldquo 推倒重来&rdquo 。身为&ldquo 二传手&rdquo 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。 　　&ldquo 晶体&mdash 光源&mdash 装备&mdash 科研&mdash 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。&rdquo 白春礼评价道。 　　&ldquo 这仅仅是深紫外波段仪器应用的开始。&rdquo 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。

深紫外全固态激光源指输出波长在200纳米以下的固体激光器，与同步辐射和气体放电光源等现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。 　　中科院自上世纪90年代初开始研究深紫外非线性光学晶体和激光技术，经过20多年努力，在国际上首次生长出可直接倍频产生深紫外激光非线性光学晶体，并发明棱镜耦合技术，率先发展出实用化的深紫外固态激光源，使中国成为当今世界上唯一掌握深紫外全固态激光技术的国家。 　　中国科学家利用独创、独有的深紫外技术和深紫外激光非线性光学晶体，已成功研制出深紫外激光拉曼光谱仪、深紫外激光发射电子显微镜等8台深紫外固态激光源前沿装备，均为当今世界所独有的科研利器，居深紫外领域国际领先地位。 　　总投资1.8亿元人民币的深紫外固态激光源前沿装备研制项目，2008年启动实施以来进展顺利，现已研制成功的8台前沿装备还包括深紫外激光光化学反应仪、深紫外激光光致发光光谱仪、深紫外激光自旋分辨角分辨光电子能谱仪、深紫外激光原位时空分辨隧道电子谱仪、基于飞行时间能量分析器的深紫外激光角分辨光电子能谱仪等国际领先水平的仪器设备，另外1台光子能量可调深紫外激光光电子能谱仪研制工作也已基本完成，正在调试之中，多台仪器设备已初步用于前沿科学研究，并表现出优异的性能。 　　中科院整合麾下理化技术研究所、物理研究所、大连化学物理研究所、半导体研究所科研资源，在财政部专项资金支持下，设立深紫外固态激光源前沿装备研制项目，设计出从“材料-器件-装备-科学研究”完整研发体系。在成功研制8台重大仪器设备的同时，还搭建有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和深紫外应用仪器开发平台，核心器件深紫外晶体及器件已实现小批量生产，为仪器设备后续发展尤其是产业化工作奠定了基础。 　　深紫外固态激光技术突破是中国新型科学仪器研发的难得机遇。中科院在前期工作基础上，正组织专家进一步调研，一方面，将研制成功的8台仪器设备中技术成熟、具有市场潜力的发展为商品化仪器设备，推动中国高端科学仪器产业化 另一方面，进一步整合人才、技术力量，继续研发新型深紫外科学仪器和设备。