追踪深紫外固态激光源研制：从一个晶体开始

中科院承担的深紫外固体激光光源系列先进设备最近通过验收。中国已经成为世界上唯一能够制造实用的深紫外固态激光器的国家。

■我们的记者齐鲁

“这是中国自主研发高科技仪器的成功范例。”9月6日，中国科学院承担的国家重大科研设备开发项目——“深紫外固体激光源前沿设备开发项目”通过验收，验收委员会进行了评估。

该系列先进设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开发的8种新型深紫外激光研究设备均已建成，使中国成为世界上唯一一个能够制造实用深紫外全固态激光器的国家。

中国科学院院长白春礼表示，该项目是中国科学院相关研究所和科学家在长期科研工作积累的基础上取得的重要成果。这也是中国科学院近年来致力于重大创新突破和服务创新驱动发展的具体体现。

开启深度紫外线时代

这个项目从一个水晶开始。

这是一种叫做KBBF的水晶。20世纪90年代初，在发现硼酸盐系列非线性光学晶体后，中国科学院院士陈创天的研究团队经过十多年的努力，成为世界上第一个生长大尺寸KBBF晶体的团队。

KBBF晶体是目前唯一能直接倍频产生深紫外激光的非线性光学晶体，是非线性光学晶体研究领域继硼酸钡和硼酸锂晶体之后的第三个“国产”非线性光学晶体。

随着深紫外非线性光学晶体的出现，如何将它们发展成为实用、精密的激光光源成为一个棘手的问题。

KBBF晶体是一种层状结构，很难切割，而深紫外倍频必须切割。为此，陈创天与中国工程院院士、激光技术专家徐祖炎携手，开始探索解决方案。

“当时，*没有实验装置，所以我们不得不跑到香港科技大学借用他们的实验室。”徐祖炎回忆说，这两个人一直在实验室工作到深夜一两点钟，最后终于研制出了KBBF棱镜耦合装置。

该装置在世界上首次实现了1064纳米激光的6倍频输出，将全固态激光的波长缩短到177.3纳米，使深紫外激光技术首次实用化和精确化，并获得了中国、日本和美国的专利。

此后，他们密切合作，在世界上首次实现了深紫外激光的KBBF晶体倍频输出，并最终研制出一种实用的深紫外固体激光源(DUV-DPL)。

此后，中国开启了一个深度紫外线时代。

从激光源到8种设备

DUV-DPL的成功发展，不仅使中国激光科学技术研究突破了200纳米以内的“深紫外壁垒”，实现了实用性和精确性，而且极大地促进了中国激光科学技术研究领域科研人员的进一步发展。

徐祖炎将自己的工作描述为“一个设定者”，并“与上游讨论了晶体应该是什么样子，并问下游他想要什么样的激光”。

他花了一年多时间经营20或30个实验室来“出售”DUV-DPL。

目前，同步辐射和气体放电等非相干光源主要用于深紫外波段(波长小于200纳米的光波)的科研设备中。与同步辐射相比，装有KBBF晶体棱镜耦合装置的全固态激光器体积变得很小。就能量分辨率而言，它比同步辐射高5~10倍。就光子流密度而言，它增加了3~5个数量级。

2007年底，财政部专门设立了“深紫外固体激光光源先进设备开发”项目，对深紫外非线性晶体和器件开发平台、深紫外固体激光器开发平台以及DUV-DPL 8种新科学仪器的开发给予专项支持。陈创天和徐祖彦担任该项目的首席科学家。

“为了保持仪器领先，研究人员必须不断调整技术方案。为此，总务部还成立了工程监理部，这在国内科研项目中是罕见的。”中国科学院物理化学研究所总项目部总经理、研究员詹文山说。

因此，经常有必要“推倒重来”。作为一名“二传手”，徐祖炎有着深厚的经验:5年多来，他满足了仪器开发商改变技术方案的诸多技术要求，解决了光源与8台仪器对接的工程问题。

构建自主创新链

目前，这8种科学仪器在石墨烯、高温超导、拓扑绝缘体、宽带隙半导体和催化剂的研究中取得了重要成果。

以深紫外激光发光电子显微镜(PEEM)为例，目前世界上最先进的发光电子显微镜的空间分辨率可达20纳米，而全固态激光则可提高到3.9纳米。中国科学院大连化学研究所利用该仪器对石墨烯/钌(0001)表面插层反应进行了原位观察，为石墨烯等光电材料的开发和应用提供了有力的研究手段。

詹文山透露，2mm以下的KBBF晶体现在可以小批量生产，以满足国内市场的需求。在8种科学仪器中，PEEM正逐步尝试工业化。

“水晶-光源-设备-科学研究-产业化。深紫外固体激光光源先进设备开发项目，创建了自主创新链，涵盖了从原始科学理念到应用成果的完整科学价值链。积累了多学科、大跨度、大探索、强工程的重大科研设备创新经验，也为中国科学院各业务管理单位合理分工、深度整合、协同创新提供了典型范例。”白春礼评论道。

"这只是应用深紫外波段仪器的开始."徐祖炎透露，二期工程将从物理、化学和材料领域扩展到信息、信息和生活领域，将开展六项国际领先仪器设备的研发，并继续推动深紫外技术的深入发展。

同时，在圆满完成一期任务的基础上，去年中国科学院物理化学研究所会同北京科技学院等单位，在科技部的支持下，开始了深紫外仪器设备的产业化开发，并逐步将研制成功的深紫外仪器设备推向市场。(原标题为“向深紫色进军”)

中国科学新闻(2013-09-09，第一版集锦)