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紫外激光器

深紫外激光源技術(shù)跨過200nm門檻

星之球激光 來源:光電工程師社區(qū)2011-11-07 我要評(píng)論(0 )   

激光技術(shù)的發(fā)展讓人類的視野不斷拓寬。但多少年來,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...

    激光技術(shù)的發(fā)展讓人類的視野不斷拓寬。但多少年來,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,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,“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)目首席科學(xué)家、中國(guó)工程院院士許祖彥所說:“上帝沒有給我們一個(gè)這么好的光源,我們就要自己去找。”
 
    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)前所未有的世界。
 
    在這樣的背景下,中國(guó)科學(xué)家介入了這一課題。“80年代我們獲得了第一批國(guó)家科研基金,15萬元。”項(xiàng)目首席科學(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)在看來這筆錢并不多,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,最短波長(zhǎng)達(dá)到184.7nm。
 
    從此,深紫外的時(shí)代開啟了。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,是他面臨的最大難題。
 
    但20多年前,中國(guó)大陸還沒有這方面的實(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,該裝置仍是該晶體唯一的實(shí)用化技術(shù)。
 
    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。
 
    2009年,英國(guó)《自然》雜志發(fā)表評(píng)論文章稱,KBBF晶體“真是一塊完美的晶體,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”
 
    深紫外光源的問世盡管已經(jīng)震驚世界,但對(duì)許祖彥來說,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領(lǐng)先,科研人員必須不斷調(diào)整技術(shù)方案。”項(xiàng)目工程總體部總經(jīng)理、中科院理化所研究員詹文山說。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。
 
    對(duì)這種經(jīng)常要推翻重來的工作方式,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,‘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),研制出一套性能優(yōu)越的深紫外激光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。
 
    “我們第一次做這種儀器,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2009年夏天,我們第一次看到了顯微鏡成像圖,那一刻覺得什么都值了。”
 
    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)到國(guó)際領(lǐng)先水平。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,對(duì)更多的中國(guó)科研工作者和社會(huì)公眾來說,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)搬過去做,帶來許多不便。
 
    深紫外固態(tài)激光源在時(shí)間、空間和能量分辨率上,都有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。“更重要的是,這些儀器裝備將來有望小型化,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)境水污染國(guó)際最低檢測(cè)限。“只要一滴水就能檢測(cè)水污染。”
 
    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。受國(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:“如果沒有儀器設(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,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。”

 

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