由中科院承擔(dān)的深紫外固態(tài)激光源系列前沿裝備日前通過(guò)驗(yàn)收，我國(guó)成為世界上唯一能夠制造實(shí)用化深紫外全固態(tài)激光器的國(guó)家。

“這是我國(guó)自主研發(fā)高精尖儀器的一個(gè)成功范例。”9月6日，由中科院承擔(dān)的國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目——“深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制項(xiàng)目”通過(guò)驗(yàn)收，驗(yàn)收委員會(huì)給出了如是評(píng)價(jià)。

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(tái)、深紫外全固態(tài)激光源平臺(tái)，以及基于這兩個(gè)平臺(tái)研制的8臺(tái)新型深紫外激光科研裝備各項(xiàng)既定目標(biāo)全面完成，使我國(guó)成為世界上唯一能夠制造實(shí)用化深紫外全固態(tài)激光器的國(guó)家。

中科院院長(zhǎng)白春禮表示，該項(xiàng)目是中科院相關(guān)研究所和科學(xué)家在長(zhǎng)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(lái)“致力重大創(chuàng)新突破、服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”的具體體現(xiàn)。

開啟深紫外時(shí)代

項(xiàng)目從一個(gè)晶體開始。

這是一種名為氟硼鈹酸鉀(KBBF)的晶體。上世紀(jì)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(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)10余年努力，在國(guó)際上首先生長(zhǎng)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(gè)“中國(guó)產(chǎn)”非線性光學(xué)晶體。

深紫外非線性光學(xué)晶體問(wèn)世后，如何將其研制成實(shí)用化、精密化激光源，則成為一個(gè)棘手的問(wèn)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(guó)工程院院士許祖彥，開始摸索解決辦法。

“當(dāng)時(shí)中國(guó)大陸還沒(méi)有這方面的實(shí)驗(yàn)裝置，我們不得不跑到香港科技大學(xué)，借用他們的實(shí)驗(yàn)室。”許祖彥回憶說(shuō)，兩個(gè)人窩在實(shí)驗(yàn)室里，每天工作到深夜一兩點(diǎn)，終于搞出了KBBF棱鏡耦合器件。

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

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

從此，中國(guó)開啟了深紫外的時(shí)代。

從激光源到8臺(tái)裝備

DUV－DPL的研制成功，不僅使得我國(guó)激光科技研究突破了200nm以內(nèi)的“深紫外壁壘”，實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化、精密化，還極大推進(jìn)了我國(guó)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(zhǎng)成什么樣，向下游詢問(wèn)要什么樣的激光”。

他花了一年多時(shí)間，跑了二三十個(gè)實(shí)驗(yàn)室，“推銷”DUV－DPL。

深紫外波段(指波長(zhǎng)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(duì)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)激光器體積變得很小;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(gè)量級(jí)。

2007年年底，財(cái)政部專門設(shè)立“深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制”項(xiàng)目，對(duì)搭建深紫外非線性晶體和器件研制平臺(tái)、深紫外固態(tài)激光器研發(fā)平臺(tái)，以及研制8臺(tái)新型DUV－DPL科學(xué)儀器，予以專項(xiàng)支持。陳創(chuàng)天、許祖彥擔(dān)任項(xiàng)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(gè)工程監(jiān)理部，這在國(guó)內(nèi)的科研項(xiàng)目中很少見。”項(xiàng)目總體部總經(jīng)理、中科院理化所研究員詹文山說(shuō)。

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

打造自主創(chuàng)新鏈

如今，這8臺(tái)科學(xué)儀器已經(jīng)在石墨烯、高溫超導(dǎo)、拓?fù)浣^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(guó)際上最先進(jìn)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(tái)儀器開展了石墨烯/Ru(0001)表面插層反應(yīng)原位觀測(cè)，為石墨烯等光電子材料發(fā)展和應(yīng)用提供了強(qiáng)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求。8臺(tái)科學(xué)儀器中，PEEM正在逐步進(jìn)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)應(yīng)用成果這一完整的科學(xué)價(jià)值鏈，為學(xué)科交叉面廣、跨度大、探索性和工程性很強(qiáng)的原創(chuàng)性重大科研裝備創(chuàng)新積累了經(jīng)驗(yàn)，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(píng)價(jià)道。

“這僅僅是深紫外波段儀器應(yīng)用的開始。”許祖彥透露，項(xiàng)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(tái)國(guó)際領(lǐng)先水平的儀器設(shè)備研制工作，繼續(xù)推動(dòng)深紫外技術(shù)的深度開發(fā)。

同時(shí)，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(dòng)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(chǎng)。