深紫外激光源研究：推倒２００ｎｍ上的一堵墻

激光技術(shù)的發(fā)展讓人類的視野不斷拓寬。但多少年來(lái)，波長(zhǎng)小于200nm的深紫外波段，一直是個(gè)神秘又難以逾越的坎。

　　200nm上的這堵“墻”把人類擋在了外面。由于深紫外激光源的缺席，許多重要的科學(xué)研究只得擱置。

　　但中科院的一群科學(xué)家不能接受這樣的現(xiàn)實(shí)。30年來(lái)，他們不但找到了深紫外光學(xué)材料和激光源，還研制出8臺(tái)深紫外固態(tài)激光源裝備。自2008年啟動(dòng)以來(lái)，“深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制項(xiàng)目”進(jìn)展順利，多臺(tái)儀器已初步用于前沿科學(xué)研究。

　　正如項(xiàng)目科學(xué)家、*院士許祖彥所說(shuō)：“上帝沒(méi)有給我們一個(gè)這么好的光源，我們就要自己去找。”

突破200nm

　　上世紀(jì)90年代初，非線性光學(xué)晶體接連將Nd：YAG激光波長(zhǎng)從近紅外拓展到可見(jiàn)光，甚至近紫外波長(zhǎng)區(qū)。這帶給人們一種隱約的希望：如果能找到一種晶體，使激光波長(zhǎng)拓展到深紫外光譜區(qū)，人類將有望認(rèn)識(shí)一個(gè)的世界。

　　在這樣的背景下，中國(guó)科學(xué)家介入了這一課題。

　　“80年代我們獲得了*批國(guó)家科研基金，15萬(wàn)元。”項(xiàng)目科學(xué)家、中科院院士陳創(chuàng)天告訴《科學(xué)時(shí)報(bào)》記者，雖然現(xiàn)在看來(lái)這筆錢(qián)并不多，但當(dāng)時(shí)已是很了不起的事了。

　　在這筆經(jīng)費(fèi)的資助下，陳創(chuàng)天的研究如虎添翼。1991年，他在發(fā)現(xiàn)硼酸鹽系列非線性光學(xué)晶體后，運(yùn)用分子設(shè)計(jì)工程學(xué)方法發(fā)現(xiàn)了KBBF晶體。5年后，他證實(shí)了此晶體可實(shí)現(xiàn)深紫外相干光輸出，zui短波長(zhǎng)達(dá)到184.7nm。

　　從此，深紫外的時(shí)代開(kāi)啟了。在此基礎(chǔ)上，陳創(chuàng)天研究組于2005年陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了RBBF、CBBF等非線性光學(xué)晶體，從而拿到了完整的KBBF族非線性光學(xué)系列晶體。

　　許祖彥則形容自己的工作是“二傳手”。深紫外非線性光學(xué)晶體問(wèn)世后，如何將其研制成實(shí)用的精密化激光源，并配合后續(xù)的儀器研制，是他面臨的zui大難題。

　　但20多年前，中國(guó)大陸還沒(méi)有這方面的實(shí)驗(yàn)裝置，陳創(chuàng)天和許祖彥不得不跑到香港科技大學(xué)，借用了他們的實(shí)驗(yàn)室。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晶體棱鏡耦合裝置。目前，該裝置仍是該晶體*的實(shí)用化技術(shù)。

　　之后兩人密切配合，在上實(shí)現(xiàn)KBBF晶體倍頻輸出深紫外激光，并zui終發(fā)展出實(shí)用化的深紫外固態(tài)激光源。

　　2009年，英國(guó)《自然》雜志發(fā)表評(píng)論文章稱，KBBF晶體“真是一塊的晶體，它確實(shí)可促使某些領(lǐng)域向前發(fā)展”。

“看到圖像的那一刻，什么都值了”

　　深紫外光源的問(wèn)世盡管已經(jīng)震驚世界，但對(duì)許祖彥來(lái)說(shuō)，他的工作才只做了一半。

　　“科技發(fā)展如此之快，為保證我們的儀器始終保持，科研人員必須不斷調(diào)整技術(shù)方案。”項(xiàng)目工程總體部總、中科院理化所研究員詹*說(shuō)。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)目中都很少見(jiàn)。

　　對(duì)這種經(jīng)常要推翻重來(lái)的工作方式，許祖彥表示“很理解”。在3年多的時(shí)間里，他的團(tuán)隊(duì)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。

　　中科院大連化學(xué)物理研究所研究員傅強(qiáng)是“深紫外激光光發(fā)射電子顯微鏡（PEEM）”子項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。“PEEM就像一條美人魚(yú)，‘頭’是電子發(fā)射技術(shù)，‘尾’是電子顯微鏡技術(shù)。這種技術(shù)可對(duì)物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)、電子態(tài)、化學(xué)反應(yīng)等進(jìn)行原位、動(dòng)態(tài)研究，在化學(xué)、物理、材料等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。”

　　但是，現(xiàn)有的PEEM激發(fā)光源為氣體放電光源或者同步輻射光源，這些光源亮度較低，空間分辨能力一般只能達(dá)到20～50nm，限制了PEEM的廣泛應(yīng)用。

　　2007～2009年，傅強(qiáng)等人利用深紫外激光高能量、高光束流強(qiáng)度、相干性等優(yōu)點(diǎn)，研制出一套性能*的深紫外激光PEEM系統(tǒng)。利用這臺(tái)儀器，大連化物所已在石墨烯原位生長(zhǎng)、界面限域化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域取得了一些初步成果。

　　“我們*次做這種儀器，中間遇到很多困難，有半年多的時(shí)間情緒也很低落。”傅強(qiáng)坦陳，“不過(guò)2009年夏天，我們*次看到了顯微鏡成像圖，那一刻覺(jué)得什么都值了。”

　　與深紫外光電子發(fā)射顯微鏡類似，深紫外拉曼光譜儀、深紫外激光光化學(xué)反應(yīng)儀、深紫外激光光致發(fā)光光譜儀、深紫外激光自旋分辨角分辨光電子能譜儀、深紫外激光原位時(shí)空分辨隧道電子譜儀、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均達(dá)到水平。另一臺(tái)光子能量可調(diào)深紫外激光光電子能譜儀也基本研制完成，正在調(diào)試當(dāng)中。

　　不過(guò)，對(duì)更多的中國(guó)科研工作者和社會(huì)公眾來(lái)說(shuō)，這個(gè)總投資1.8億元人民幣的項(xiàng)目，究竟有著怎樣的應(yīng)用前景？

以“短”見(jiàn)長(zhǎng)的深紫外

　　目前已有的深紫外光源一類是準(zhǔn)分子激光器，另一類是同步輻射光源。準(zhǔn)分子激光器脈寬寬，難以滿足激發(fā)態(tài)快速動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究；而同步輻射光源雖具有較快的時(shí)間分辨，但裝置體積巨大，科研人員只能把實(shí)驗(yàn)搬過(guò)去做，帶來(lái)許多不便。

　　深紫外固態(tài)激光源在時(shí)間、空間和能量分辨率上，都有著優(yōu)勢(shì)。“更重要的是，這些儀器裝備將來(lái)有望小型化，甚至可以進(jìn)行市場(chǎng)化推廣。”中科院院士李燦介紹。

　　李燦負(fù)責(zé)研制的深紫外拉曼光譜儀就是一個(gè)例子。目前這臺(tái)儀器已初步應(yīng)用于催化、材料、能源、生物、環(huán)境等領(lǐng)域。在水污染檢測(cè)中，儀器靈敏度達(dá)到了環(huán)境水污染zui低檢測(cè)限。“只要一滴水就能檢測(cè)水污染。”

　　詹*透露，目前2mm以下的KBBF晶體已可小批量，滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求。受?chē)?guó)家工業(yè)水平限制，8臺(tái)儀器還不能全部實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但中科院已在考慮選取其中的1至2個(gè)，逐步進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的嘗試。

　　2006年，時(shí)任中科院院長(zhǎng)路甬祥在中科院物理所考察時(shí)曾說(shuō)：“如果沒(méi)有儀器設(shè)備的自主創(chuàng)新，也很難有新的理論上的突破。一種新儀器新裝備的誕生，往往是打開(kāi)一個(gè)新方向新領(lǐng)域的關(guān)鍵橋梁。”

　　這句話，許祖彥一直記得，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的每一個(gè)成員也記得：“這些年來(lái)，我們證明了‘材料—器件—裝備—科研—產(chǎn)業(yè)’的自主創(chuàng)新鏈?zhǔn)强尚械模沧C明了中科院此類研究性和工程性均很強(qiáng)的科研項(xiàng)目是可行的。”