從原始社會崇拜和利用光，到現(xiàn)代社會研究與應(yīng)用光，人類“追光”的歷史貫穿了整個(gè)文明發(fā)展歷程。

發(fā)現(xiàn)日光有7種顏色、發(fā)現(xiàn)無線電波可以用來通信、發(fā)現(xiàn)紫外線能夠殺菌、發(fā)現(xiàn)X射線和伽馬射線能夠透視物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)……激光發(fā)明后，“追光者”們探索的光的波長，從可見光的400至700多納米一直縮短至紫外線的300多納米。

當(dāng)時(shí)間走進(jìn)20世紀(jì)末，人們有了新目標(biāo)——進(jìn)軍波長小于200納米的深紫外光。

與此前所有的光學(xué)發(fā)展史不同，這次，跑在最前面的“追光者”是中國人。

深紫外激光具有波長短、能量分辨率高、光子通量密度大等特點(diǎn)，在激光光刻、激光微加工等領(lǐng)域頗具應(yīng)用價(jià)值。一些先進(jìn)科學(xué)儀器也會將其作為“探針”，探明物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

長期以來，國際激光學(xué)界普遍認(rèn)為200納米是一道難以跨過的坎，誰能邁過去，率先造出實(shí)用化、精密化的深紫外激光源，誰就能搶占深紫外領(lǐng)域制高點(diǎn)。

這一挑戰(zhàn)深深吸引了中國科學(xué)家。我國人工晶體專家陳創(chuàng)天早在1990年就注意到氟代硼鈹酸鉀（KBBF）晶體及其光學(xué)特性。1996年，他和激光專家許祖彥利用多波長寬調(diào)諧光參量放大器，首次產(chǎn)生出184.7納米的激光，為打破200納米“魔咒”帶來了希望。

2001年，已調(diào)入中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所（以下簡稱理化所）工作的陳創(chuàng)天帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功生長出實(shí)用的KBBF晶體，這是世界上唯一能直接倍頻產(chǎn)生深紫外激光的非線性光學(xué)晶體。

而許祖彥從上世紀(jì)80年代末起，就懷著“填補(bǔ)空白”的初心，嘗試研制深紫外激光器。

于是，陳創(chuàng)天和許祖彥，一位手握晶體技術(shù)、一位手握激光技術(shù)，兩人一拍即合，決定聯(lián)手闖一闖深紫外的“無人區(qū)”。

他們首先要找到有深紫外激光使用需求的用戶，據(jù)此設(shè)計(jì)并制造相應(yīng)的深紫外激光器。為了尋找合作用戶，接下來3年多的時(shí)間里，年逾六十的許祖彥變身“推銷員”，在全國各地十幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)穿梭游說，詳細(xì)講解深紫外激光在科學(xué)研究中的潛力。

當(dāng)時(shí)，他被問到最多的一個(gè)問題是，“這個(gè)領(lǐng)域在國外有哪些論文？國際上有沒有類似的事例？”每次，許祖彥都如實(shí)地說：“目前全世界還沒有其他人從事這一研究，只有我們發(fā)表過文章?！苯Y(jié)果，他不出意料地總是無功而返。

正當(dāng)許祖彥和陳創(chuàng)天一籌莫展時(shí)，兩封郵件帶來了轉(zhuǎn)機(jī)。

郵件來自剛從美國訪學(xué)回來的中國科學(xué)院物理研究所（以下簡稱物理所）研究員周興江。回來前，周興江在美國斯坦福大學(xué)同步輻射實(shí)驗(yàn)室工作，研究高溫超導(dǎo)材料內(nèi)部的電子狀態(tài)?；貒螅捎诋?dāng)時(shí)國內(nèi)還沒有適用的同步輻射光源裝置，他一時(shí)間找不到合適的科研平臺。

2004年5月的一天，周興江無意中在一本國際刊物上看到陳創(chuàng)天和許祖彥發(fā)表的論文，他們用許祖彥研制的世界首臺多波長寬調(diào)諧光參量放大器實(shí)現(xiàn)了184.7納米的深紫外全固態(tài)激光。這讓周興江眼前一亮：“我的研究有沒有可能用深紫外激光器實(shí)現(xiàn)呢？”按照論文作者信息，他給許祖彥和陳創(chuàng)天各發(fā)了一封郵件，很快就收到回復(fù)和邀約。周興江也因此成為第一位合作用戶。

在財(cái)政部專項(xiàng)基金及中國科學(xué)院儀器設(shè)備研制和改造項(xiàng)目支持下，經(jīng)過多方共同努力，這次合作首戰(zhàn)告捷。2006年底，他們以深紫外激光為光源，研制出國際首臺“真空紫外激光角分辨光電子能譜儀”，并測量出電子的能量和動量。看著電腦上顯示的能譜圖，周興江難掩心中激動：“比第三代同步輻射光源光電子能譜儀的精度還要高！”

有了成功的經(jīng)驗(yàn)，陳創(chuàng)天和許祖彥更加堅(jiān)定了走下去的信心。2007年，財(cái)政部和中國科學(xué)院共同設(shè)立“國家重大科研裝備項(xiàng)目”試點(diǎn)專項(xiàng)?！吧钭贤夤虘B(tài)激光源前沿裝備研制”（以下簡稱一期項(xiàng)目）成為首批啟動的8個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目之一，目標(biāo)是研制8類實(shí)用化、精密化深紫外固態(tài)激光源。項(xiàng)目由理化所牽頭，許祖彥和陳創(chuàng)天擔(dān)任首席科學(xué)家。

2009年3月，國際首臺納秒深紫外固態(tài)激光源實(shí)用化樣機(jī)研制成功。左一為許祖彥，左二為一期項(xiàng)目總指揮詹文山。

2013年，一期項(xiàng)目完成后，深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制（二期）項(xiàng)目（以下簡稱二期項(xiàng)目）啟動。許祖彥提出將研究領(lǐng)域從物理、化學(xué)、材料拓展至信息、生命、資環(huán)領(lǐng)域，并研制出6套國際領(lǐng)先的深紫外全固態(tài)激光源重大科研裝備，建立起“深紫外晶體—激光源—前沿裝備—科學(xué)研究—產(chǎn)業(yè)化”的完整鏈條。

深紫外全固態(tài)激光光發(fā)射電子顯微鏡。

在深紫外固態(tài)激光源的研制中，KBBF晶體是研制鏈條的起點(diǎn)。

KBBF晶體就像一顆小石子，體積很小，層狀結(jié)構(gòu)極易引起解理，很難長出大而厚的晶體，自然生長下厚度只有0.1毫米。更難的是，KBBF晶體生長不能采用傳統(tǒng)的“晶種法”，只能靠自然生長，即便撒下晶體“種子”，也無法誘導(dǎo)在其上定向聚集成核并生長，反而會在多處自發(fā)成核生長，最終收獲一大堆小而薄的碎晶體。

1999年7月，陳創(chuàng)天牽頭組建團(tuán)隊(duì)，理化所研究員王曉洋就是其中的一員大將。他于2004年加入陳創(chuàng)天團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)KBBF晶體生長。

KBBF晶體生長主要采用“爐海戰(zhàn)術(shù)”，4個(gè)月才能長出一爐，所以他們就安排了一堆爐子，給每個(gè)爐子創(chuàng)造不同的晶體生長條件。

每次開爐無異于“開盲盒”，而結(jié)果總是不盡如人意。

就在王曉洋極度郁悶之時(shí)，2006年下半年，連續(xù)兩個(gè)周期，有一臺爐子很“爭氣”地長出了厚達(dá)3毫米的KBBF晶體?！巴耆珴M足實(shí)用需求！”王曉洋松了口氣，認(rèn)為已經(jīng)解決了晶體生長難題。

可惜，喜悅有多大，失望就有多大。第三個(gè)及后面幾個(gè)試驗(yàn)周期，KBBF晶體的良品率急劇下降。王曉洋花了很長時(shí)間才找到原因，原來是晶體生長所用原材料的生產(chǎn)廠家換了,此前“兩連勝”的KBBF晶體原料都來自同一個(gè)廠家，但第三個(gè)周期開始前，廠家突然倒閉，他們不得不更換了新廠家，買到的原料產(chǎn)自不同礦區(qū)，所含微量元素也有所不同。

痛定思痛，王曉洋決定從頭制備原料。他們一邊重新生長晶體，一邊摸索出一套原料制備和提純方法。2013年，一期項(xiàng)目驗(yàn)收時(shí)，他們在國際上首次實(shí)現(xiàn)了批量生長大尺寸、高質(zhì)量KBBF晶體的技術(shù)。

一次次技術(shù)迭代、性能優(yōu)化讓KBBF晶體的品質(zhì)越來越高?！暗?023年二期項(xiàng)目結(jié)束時(shí)，我們完全攻克了KBBF晶體生長工藝難題?！蓖鯐匝笳f，二期項(xiàng)目結(jié)項(xiàng)時(shí)，KBBF晶體的良品率從一期項(xiàng)目的10%提升到30%。而如今，KBBF晶體的良品率已達(dá)60%以上，不但滿足了實(shí)用要求，還逐漸走向商業(yè)化。

在開展晶體攻關(guān)的同時(shí)，激光器的研制也在進(jìn)行。早在一期項(xiàng)目立項(xiàng)之前，許祖彥就已經(jīng)開始摸索“如何用KBBF晶體制成實(shí)用化精密的深紫外激光源”。

一般來說，當(dāng)激光器發(fā)射出的激光以特定匹配角穿過非線性光學(xué)晶體時(shí)，射出的激光線會“一分為二”，多出的這束光線的波長會變?yōu)樵す獠ㄩL的1/2，頻率則提升至兩倍。這被科學(xué)家稱為“激光倍頻技術(shù)”。

當(dāng)時(shí)國際上鮮有人涉足波長小于200納米的固態(tài)激光“深紫外激光”研究。許祖彥等人做了一個(gè)設(shè)計(jì)，如果能夠用好KBBF晶體，1064納米激光經(jīng)過六倍頻，便可產(chǎn)生波長177.3納米的深紫外激光。

要實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)目標(biāo)，首先需要將晶體和棱鏡無縫組裝在一起。

起初，許祖彥和陳創(chuàng)天試著將KBBF晶體按照一定方向“粘”在兩個(gè)紫外級石英棱鏡之間，然而，許祖彥找了兩年多，始終沒找到既能將棱鏡和KBBF晶體粘在一起，又能透過深紫外光的光學(xué)膠。

既然沒有，那就自己造。團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，發(fā)明了光膠專利技術(shù)，用一種特殊工藝將KBBF晶體和棱鏡表面打磨得光滑平整，然后利用分子間作用力，直接讓棱鏡和晶體緊緊耦合在一起。憑借這種沒有膠的光膠工藝，他們成功發(fā)明了全球首個(gè)KBBF晶體棱鏡耦合裝置，首次實(shí)現(xiàn)1064納米激光的六倍頻輸出，將全固態(tài)激光波長縮短至177.3納米。

KBBF族晶體和光膠棱鏡耦合器件。

2005年，相關(guān)技術(shù)申報(bào)了國際專利并被授權(quán)。2020年，我國商務(wù)部和科技部聯(lián)合發(fā)文，將“KBBF晶體生長與棱鏡耦合器件加工技術(shù)”列入限制出口技術(shù)目錄。這成為我國少有的對國外實(shí)行技術(shù)禁運(yùn)的高新技術(shù)。

2007年，一期項(xiàng)目立項(xiàng)后，他們繼續(xù)探索如何將深紫外棱鏡耦合倍頻器件發(fā)展成全固態(tài)深紫外激光源。

理化所研究員張申金是首臺皮秒175~210納米寬調(diào)諧深紫外全固態(tài)激光源研制過程的親歷者之一。他記得，2010年，他們度過了一個(gè)壓力極大的夏天。

皮秒175~210納米寬調(diào)諧深紫外全固態(tài)激光源屬于國際首創(chuàng)，不僅要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化與精密化的樣機(jī)并將其配套到前沿裝備光電子能譜儀上，還要實(shí)現(xiàn)每次開機(jī)每天運(yùn)行24小時(shí)，至少連續(xù)運(yùn)行約7天的目標(biāo)。

為滿足光電子能譜儀對波長寬調(diào)諧后光束指向的要求，許祖彥和張申金一起討論二倍頻和四倍頻關(guān)鍵技術(shù)問題與解決方案，最終自主研發(fā)了高精度350~420納米寬調(diào)諧反向級聯(lián)二倍頻系統(tǒng)和高精度175~210納米寬調(diào)諧深紫外激光產(chǎn)生、整形及光束指向準(zhǔn)自動調(diào)控系統(tǒng)，滿足了整機(jī)要求。

在晶體與激光器技術(shù)被逐一攻克的同時(shí)，“定制化”的深紫外固態(tài)激光裝置平臺越來越多。

周興江對10多年來的持續(xù)合作攻關(guān)歷程記憶猶新。

2006年，周興江和陳創(chuàng)天、許祖彥初次合作首戰(zhàn)告捷后，他們在一期項(xiàng)目中繼續(xù)合作。一期項(xiàng)目8臺科學(xué)儀器設(shè)備，周興江團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)了其中兩臺半的制備工作。

這其中的“半臺”設(shè)備，指的是調(diào)整周興江此前合作建設(shè)的真空紫外激光角分辨光電子能譜儀。另外兩臺設(shè)備，一臺是深紫外激光自旋分辨角分辨光電子能譜儀，另一臺是基于飛行時(shí)間能量分析器的深紫外激光角分辨光電子能譜儀。

一期項(xiàng)目結(jié)束后，周興江盼望能有一臺具備極低溫研究環(huán)境的深紫外激光裝備，觀察極低溫條件下超導(dǎo)材料的電子結(jié)構(gòu)，于是又參與了二期項(xiàng)目。

歷時(shí)8年，周興江團(tuán)隊(duì)和陳創(chuàng)天、許祖彥團(tuán)隊(duì)制成國際首臺大動量極低溫深紫外激光光電子能譜儀，不僅創(chuàng)造了0.8開氏度的極低溫紀(jì)錄，還將光子能量提升到7.4電子伏特。至此，科研人員終于能精準(zhǔn)“看清”超導(dǎo)材料的微觀電子結(jié)構(gòu)，探索超導(dǎo)、拓?fù)涞认冗M(jìn)量子材料奇特物性的起源了。

2013年9月，研究人員操作基于飛行時(shí)間能量分析器的深紫外激光角分辨光電子能譜儀。

從2004年合作至今，作為我國紫外固態(tài)激光裝備研制的見證者和參與者，周興江收獲頗豐。2013年，他因以深紫外全固態(tài)激光前沿裝置為平臺做出的重要研究成果，榮獲全球華人物理學(xué)會亞洲成就獎(jiǎng)。今年，他又基于大動量極低溫深紫外激光角分辨光電子能譜儀，揭示了鐵基超導(dǎo)配對機(jī)理中的關(guān)鍵信息，引發(fā)國際關(guān)注。

深紫外固態(tài)激光裝置的受益者，還有中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大化所）。深紫外一期項(xiàng)目期間，理化所為大化所定制的深紫外激光源使其發(fā)現(xiàn)了石墨烯對催化反應(yīng)的調(diào)控作用、石墨烯對鉑金催化表面反應(yīng)有限域增強(qiáng)效應(yīng)等不少新現(xiàn)象。

除了周興江團(tuán)隊(duì)、大化所團(tuán)隊(duì)外，理化所還與中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院團(tuán)隊(duì)合作，用特別定制的深紫外激光研制鋁離子光頻標(biāo)；與中國科學(xué)院化學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)合作，研制出高靈敏度深紫外/紅外離子化檢測質(zhì)譜光譜儀；與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所團(tuán)隊(duì)合作，研制出深紫外激光調(diào)制反射光譜儀。

從2007年一期項(xiàng)目開始，到2023年二期項(xiàng)目驗(yàn)收，我國科學(xué)家自主研制成功16種20臺深紫外固態(tài)激光源前沿科研儀器，覆蓋材料、物理、化學(xué)、生命、信息、資環(huán)六大領(lǐng)域。

2013年9月，研究人員在操作深紫外激光光化學(xué)反應(yīng)儀。理化所供圖

經(jīng)過兩期項(xiàng)目15年的探索，我國深紫外科研儀器設(shè)備已經(jīng)初步形成“深紫外晶體—激光源—前沿裝備—科學(xué)研究—產(chǎn)業(yè)化”的自主創(chuàng)新鏈條。

“過去，中國所有大型科研儀器設(shè)備都得從國外進(jìn)口。如今在深紫外全固態(tài)激光源領(lǐng)域，我們可以獨(dú)立自主研發(fā)大型科研儀器設(shè)備了，這極大增強(qiáng)了我國科研人員的信心?！痹S祖彥說。

一期項(xiàng)目結(jié)題驗(yàn)收會上，許祖彥曾在技術(shù)總結(jié)報(bào)告中說：“深紫外激光大型科學(xué)裝置是國際首創(chuàng)。我們用事實(shí)證明了中國人有可能、有能力自主創(chuàng)新開發(fā)大型科學(xué)裝置，我們今天突破了！”

時(shí)至今日，科學(xué)家們探索的腳步并未停止。他們下一階段的目標(biāo)之一是推進(jìn)深紫外固態(tài)激光裝置產(chǎn)業(yè)化，研制出更多品種的、包括連續(xù)出光的激光器在內(nèi)的深紫外激光源。

在應(yīng)用方面，現(xiàn)已84歲的許祖彥有一個(gè)心愿——用深紫外全固態(tài)激光裝備，把國際長度計(jì)量基準(zhǔn)固定下來。隨著制造業(yè)的發(fā)展，測量精度的要求也在不斷提高。早在19世紀(jì)初，物理學(xué)家就提出以可見波長作為長度基準(zhǔn)的設(shè)想。許祖彥希望二期項(xiàng)目中的鋁離子光頻標(biāo)設(shè)備，能夠利用精準(zhǔn)深紫外激光，助力我國“做出中國自己的標(biāo)準(zhǔn)長度，領(lǐng)跑世界”。

如今，深紫外激光這塊處女地已經(jīng)繁花似錦。面對無限的應(yīng)用可能，許祖彥反復(fù)說：“大型科學(xué)儀器的突破絕不可能是一個(gè)人努力的結(jié)果，而是國家、中國科學(xué)院、各科研機(jī)構(gòu)共同協(xié)作的成果，是集體智慧的結(jié)晶。無論未來怎樣發(fā)展，這一點(diǎn)不會變?！?/p>