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廣州市譜源氣體有限公司
深紫外激光技術的發展
2012-6-15 8:14:21
激光技術的發展讓人類的視野不斷拓寬。但多少年來，波長小于200nm的深紫外波段，一直是個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，許多重要的科學研究只得擱置。
但中科院的一群科學家不能接受這樣的現實。30年來，他們不但找到了深紫外光學材料和激光源，還研制出8臺深紫外固態激光源裝備。自2008年啟動以來，“深紫外固態激光源前沿裝備研制項目”進展順利，多臺儀器已初步用于前沿科學研究。
正如項目首席科學家、中國工程院院士許祖彥所說：“上帝沒有給我們一個這么好的光源，我們就要自己去找。”
突破200nm
上世紀90年代初，非線性光學晶體接連將Nd：YAG激光波長從近紅外拓展到可見光，甚至近紫外波長區。這帶給人們一種隱約的希望：如果能找到一種晶體，使激光波長拓展到深紫外光譜區，人類將有望認識一個前所未有的世界。
在這樣的背景下，中國科學家介入了這一課題。
“80年代我們獲得了第一批國家科研基金，15萬元。”項目首席科學家、中科院院士陳創天告訴《科學時報》記者，雖然現在看來這筆錢并不多，但當時已是很了不起的事了。
在這筆經費的資助下，陳創天的研究如虎添翼。1991年，他在發現硼酸鹽系列非線性光學晶體后，運用分子設計工程學方法發現了KBBF晶體。5年后，他證實了此晶體可實現深紫外相干光輸出，最短波長達到184.7nm。
從此，深紫外的時代開啟了。在此基礎上，陳創天研究組于2005年陸續發現了RBBF、CBBF等非線性光學晶體，從而拿到了完整的KBBF族非線性光學系列晶體。
許祖彥則形容自己的工作是“二傳手”。深紫外非線性光學晶體問世后，如何將其研制成實用的精密化激光源，并配合后續的儀器研制，是他面臨的最大難題。
但20多年前，中國大陸還沒有這方面的實驗裝置，陳創天和許祖彥不得不跑到香港科技大學，借用了他們的實驗室。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晶體棱鏡耦合裝置。目前，該裝置仍是該晶體唯一的實用化技術。
之后兩人密切配合，在國際上首次實現KBBF晶體倍頻輸出深紫外激光，并最終發展出實用化的深紫外固態激光源。
2009年，英國《自然》雜志發表評論文章稱，KBBF晶體“真是一塊完美的晶體，它確實可促使某些領域向前發展”。
“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震驚世界，但對許祖彥來說，他的工作才只做了一半。
“科技發展如此之快，為保證我們的儀器始終保持領先，科研人員必須不斷調整技術方案。”項目工程總體部總經理、中科院理化所研究員詹文山說。為此總體部還設立了一個工程監理部，這在國內的科研項目中都很少見。
對這種經常要推翻重來的工作方式，許祖彥表示“很理解”。在3年多的時間里，他的團隊滿足了儀器研制人員變更技術方案的多項技術要求，解決了光源與8臺儀器對接的工程問題。
中科院大連化學物理研究所研究員傅強是“深紫外激光光發射電子顯微鏡（PEEM）”子項目的負責人。“PEEM就像一條美人魚，‘頭’是電子發射技術，‘尾’是電子顯微鏡技術。這種技術可對物質表面結構、電子態、化學反應等進行原位、動態研究，在化學、物理、材料等領域有著重要應用。”
但是，現有的PEEM激發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到20～50nm，限制了PEEM的廣泛應用。
2007～2009年，傅強等人利用深紫外激光高能量、高光束流強度、相干性等優點，研制出一套性能優越的深紫外激光PEEM系統。利用這臺儀器，大連化物所已在石墨烯原位生長、界面限域化學反應等領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，有半年多的時間情緒也很低落。”傅強坦陳，“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。”
與深紫外光電子發射顯微鏡類似，深紫外拉曼光譜儀、深紫外激光光化學反應儀、深紫外激光光致發光光譜儀、深紫外激光自旋分辨角分辨光電子能譜儀、深紫外激光原位時空分辨隧道電子譜儀、基于飛行時間能量分析器的深紫外激光角分辨光電子能譜儀均達到國際領先水平。另一臺光子能量可調深紫外激光光電子能譜儀也基本研制完成，正在調試當中。
不過，對更多的中國科研工作者和社會公眾來說，這個總投資1.8億元人民幣的項目，究竟有著怎樣的應用前景？
以“短”見長的深紫外
目前已有的深紫外光源一類是準分子激光器，另一類是同步輻射光源。準分子激光器脈寬寬，難以滿足激發態快速動力學過程的研究；而同步輻射光源雖具有較快的時間分辨，但裝置體積巨大，科研人員只能把實驗搬過去做，帶來許多不便。
深紫外固態激光源在時間、空間和能量分辨率上，都有著絕對優勢。“更重要的是，這些儀器裝備將來有望小型化，甚至可以進行市場化推廣。”中科院院士李燦介紹。
李燦負責研制的深紫外拉曼光譜儀就是一個例子。目前這臺儀器已初步應用于催化、材料、能源、生物、環境等領域。在水污染檢測中，儀器靈敏度達到了環境水污染國際最低檢測限。“只要一滴水就能檢測水污染。”
詹文山透露，目前2mm以下的KBBF晶體已可小批量生產，滿足國內市場需求。受國家工業水平限制，8臺儀器還不能全部實現商業化，但中科院已在考慮選取其中的1至2個，逐步進行產業化的嘗試。
2006年，時任中科院院長路甬祥在中科院物理所考察時曾說：“如果沒有儀器設備的自主創新，也很難有新的理論上的突破。一種新儀器新裝備的誕生，往往是打開一個新方向新領域的關鍵橋梁。”
這句話，許祖彥一直記得，項目團隊的每一個成員也記得：“這些年來，我們證明了‘材料—器件—裝備—科研—產業’的自主創新鏈是可行的，也證明了中科院此類研究性和工程性均很強的科研項目是可行的。”
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