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紫外激光器

深紫外固態(tài)激光源系列前沿裝備打造自主創(chuàng)新鏈

星之球激光 來源:中國科學(xué)報2013-10-24 我要評論(0 )   

由中科院承擔的深紫外固態(tài)激光源系列前沿裝備日前通過驗收,我國成為世界上唯一能夠制造實用化深紫外全固態(tài)激光器的國家。 這是我國自主研發(fā)高精尖儀器的一個成功范例。...

    由中科院承擔的深紫外固態(tài)激光源系列前沿裝備日前通過驗收,我國成為世界上唯一能夠制造實用化深紫外全固態(tài)激光器的國家。

  “這是我國自主研發(fā)高精尖儀器的一個成功范例。”9月6日,由中科院承擔的國家重大科研裝備研制項目——“深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制項目”通過驗收,驗收委員會給出了如是評價。

  該系列前沿裝備中的深紫外非線性光學(xué)晶體與器件平臺、深紫外全固態(tài)激光源平臺,以及基于這兩個平臺研制的8臺新型深紫外激光科研裝備各項既定目標全面完成,使我國成為世界上唯一能夠制造實用化深紫外全固態(tài)激光器的國家。

  中科院院長白春禮表示,該項目是中科院相關(guān)研究所和科學(xué)家在長期科研工作積累的基礎(chǔ)上,協(xié)同攻關(guān)、自主創(chuàng)新取得的重要成果,也是中科院近年來“致力重大創(chuàng)新突破、服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”的具體體現(xiàn)。

 

  開啟深紫外時代

  項目從一個晶體開始。

  這是一種名為氟硼鈹酸鉀(KBBF)的晶體。上世紀90年代初,在發(fā)現(xiàn)硼酸鹽系列非線性光學(xué)晶體后,中科院院士陳創(chuàng)天的研究團隊經(jīng)過10余年努力,在國際上首先生長出大尺寸KBBF晶體。

  KBBF晶體是目前唯一可直接倍頻產(chǎn)生深紫外激光的非線性光學(xué)晶體,是在非線性光學(xué)晶體研究領(lǐng)域中,繼硼酸鋇、三硼酸鋰晶體后的第三個“中國產(chǎn)”非線性光學(xué)晶體。

  深紫外非線性光學(xué)晶體問世后,如何將其研制成實用化、精密化激光源,則成為一個棘手的問題。

  KBBF晶體是層狀結(jié)構(gòu),難以切割,而要做到深紫外倍頻又必須切割。為此,陳創(chuàng)天攜手激光技術(shù)專家、中國工程院院士許祖彥,開始摸索解決辦法。

  “當時中國大陸還沒有這方面的實驗裝置,我們不得不跑到香港科技大學(xué),借用他們的實驗室。”許祖彥回憶說,兩個人窩在實驗室里,每天工作到深夜一兩點,終于搞出了KBBF棱鏡耦合器件。

  該器件在國際上首次實現(xiàn)了1064nm激光的6倍頻輸出,將全固態(tài)激光波長縮短至177.3nm,首次將深紫外激光技術(shù)實用化、精密化,并已獲中、日、美專利。

  之后兩人密切配合,在國際上首次實現(xiàn)KBBF晶體倍頻輸出深紫外激光,并最終發(fā)展出實用化的深紫外固態(tài)激光源(DUV-DPL)。

  從此,中國開啟了深紫外的時代。

 

  從激光源到8臺裝備

  DUV-DPL的研制成功,不僅使得我國激光科技研究突破了200nm以內(nèi)的“深紫外壁壘”,實現(xiàn)了實用化、精密化,還極大推進了我國科研人員在激光科技研究領(lǐng)域的繼續(xù)深入。

  許祖彥形容自己的工作是“二傳手”,“跟上游討論晶體該長成什么樣,向下游詢問要什么樣的激光”。

  他花了一年多時間,跑了二三十個實驗室,“推銷”DUV-DPL。

  深紫外波段(指波長短于200nm的光波)科研裝備目前主要使用同步輻射和氣體放電等非相干光源。相對于同步輻射而言,在體積方面,配有KBBF晶體棱鏡耦合器件的全固態(tài)激光器體積變得很??;在能量分辨率方面,比同步輻射提高5~10倍以上;在光子流密度方面,提高了3~5個量級。

  2007年年底,財政部專門設(shè)立“深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制”項目,對搭建深紫外非線性晶體和器件研制平臺、深紫外固態(tài)激光器研發(fā)平臺,以及研制8臺新型DUV-DPL科學(xué)儀器,予以專項支持。陳創(chuàng)天、許祖彥擔任項目首席科學(xué)家。

  “為使儀器保持領(lǐng)先,科研人員必須不斷調(diào)整技術(shù)方案。為此,總體部還設(shè)立了一個工程監(jiān)理部,這在國內(nèi)的科研項目中很少見。”項目總體部總經(jīng)理、中科院理化所研究員詹文山說。

  這樣一來,經(jīng)常要“推倒重來”。身為“二傳手”的許祖彥深有體會:在5年多的時間里,滿足了儀器研制人員變更技術(shù)方案的多項技術(shù)要求,解決了光源與8臺儀器對接的工程問題。

 

  打造自主創(chuàng)新

  如今,這8臺科學(xué)儀器已經(jīng)在石墨烯、高溫超導(dǎo)、拓撲絕緣體、寬禁帶半導(dǎo)體和催化劑等研究中獲得了重要結(jié)果。

  以深紫外激光光發(fā)射電子顯微鏡(PEEM)為例,目前國際上最先進的光發(fā)射電子顯微鏡空間分辨率最高為20nm,而采用全固態(tài)激光器后能提高到3.9nm。中科院大連化物所利用這臺儀器開展了石墨烯/Ru(0001)表面插層反應(yīng)原位觀測,為石墨烯等光電子材料發(fā)展和應(yīng)用提供了強有力的研究手段。

  詹文山透露,目前2mm以下的KBBF晶體已可小批量生產(chǎn),滿足國內(nèi)市場需求。8臺科學(xué)儀器中,PEEM正在逐步進行產(chǎn)業(yè)化嘗試。

  “晶體—光源—裝備—科研—產(chǎn)業(yè)化,深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制項目打造了一條自主創(chuàng)新鏈,涵蓋了從提出原創(chuàng)科學(xué)思想到實現(xiàn)應(yīng)用成果這一完整的科學(xué)價值鏈,為學(xué)科交叉面廣、跨度大、探索性和工程性很強的原創(chuàng)性重大科研裝備創(chuàng)新積累了經(jīng)驗,也為中科院各業(yè)務(wù)管理單元合理分工、深度融合、協(xié)力創(chuàng)新提供了典型樣本。”白春禮評價道。

  “這僅僅是深紫外波段儀器應(yīng)用的開始。”許祖彥透露,項目二期將從物理、化學(xué)、材料拓展到信息、資環(huán)、生命等領(lǐng)域,開展6臺國際領(lǐng)先水平的儀器設(shè)備研制工作,繼續(xù)推動深紫外技術(shù)的深度開發(fā)。

  同時,在一期任務(wù)順利完成基礎(chǔ)上,去年中科院理化所聯(lián)合北京中科科儀等單位,在科技部支持下啟動了深紫外儀器設(shè)備產(chǎn)業(yè)化開發(fā)工作,逐步將研制成功的深紫外儀器設(shè)備推向市場。

 

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