【ZiDongHua 之創(chuàng)新自科文收錄關(guān)鍵詞： 制造業(yè) 深紫外激光 精密測量】
　　
　　深紫外世界里的“追光者” | 科技自立自強(qiáng)之路
　　
　　從原始社會崇拜和利用光，到現(xiàn)代社會研究與應(yīng)用光，人類“追光”的歷史貫穿了整個文明發(fā)展歷程。
　　
　　發(fā)現(xiàn)日光有7種顏色、發(fā)現(xiàn)無線電波可以用來通信、發(fā)現(xiàn)紫外線能夠殺菌、發(fā)現(xiàn)X射線和伽馬射線能夠透視物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)……激光發(fā)明后，“追光者”們探索的光的波長，從可見光的400至700多納米一直縮短至紫外線的300多納米。
　　
　　當(dāng)時間走進(jìn)20世紀(jì)末，人們有了新目標(biāo)——進(jìn)軍波長小于200納米的深紫外光。
　　
　　與此前所有的光學(xué)發(fā)展史不同，這次，跑在最前面的“追光者”是中國人。
　　
　　勇闖“無人區(qū)”
　　
　　深紫外激光具有波長短、能量分辨率高、光子通量密度大等特點(diǎn)，在激光光刻、激光微加工等領(lǐng)域頗具應(yīng)用價值。一些先進(jìn)科學(xué)儀器也會將其作為“探針”，探明物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
　　
　　長期以來，國際激光學(xué)界普遍認(rèn)為200納米是一道難以跨過的坎，誰能邁過去，率先造出實(shí)用化、精密化的深紫外激光源，誰就能搶占深紫外領(lǐng)域制高點(diǎn)。
　　
　　這一挑戰(zhàn)深深吸引了中國科學(xué)家。我國人工晶體專家陳創(chuàng)天早在1990年就注意到氟代硼鈹酸鉀（KBBF）晶體及其光學(xué)特性。1996年，他和激光專家許祖彥利用多波長寬調(diào)諧光參量放大器，首次產(chǎn)生出184.7納米的激光，為打破200納米“魔咒”帶來了希望。
　　
　　2001年，已調(diào)入中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所（以下簡稱理化所）工作的陳創(chuàng)天帶領(lǐng)團(tuán)隊成功生長出實(shí)用的KBBF晶體，這是世界上唯一能直接倍頻產(chǎn)生深紫外激光的非線性光學(xué)晶體。
　　
　　而許祖彥從上世紀(jì)80年代末起，就懷著“填補(bǔ)空白”的初心，嘗試研制深紫外激光器。
　　
　　于是，陳創(chuàng)天和許祖彥，一位手握晶體技術(shù)、一位手握激光技術(shù)，兩人一拍即合，決定聯(lián)手闖一闖深紫外的“無人區(qū)”。
　　
　　他們首先要找到有深紫外激光使用需求的用戶，據(jù)此設(shè)計并制造相應(yīng)的深紫外激光器。為了尋找合作用戶，接下來3年多的時間里，年逾六十的許祖彥變身“推銷員”，在全國各地十幾個研究機(jī)構(gòu)穿梭游說，詳細(xì)講解深紫外激光在科學(xué)研究中的潛力。
　　
　　當(dāng)時，他被問到最多的一個問題是，“這個領(lǐng)域在國外有哪些論文？國際上有沒有類似的事例？”每次，許祖彥都如實(shí)地說：“目前全世界還沒有其他人從事這一研究，只有我們發(fā)表過文章。”結(jié)果，他不出意料地總是無功而返。
　　
　　正當(dāng)許祖彥和陳創(chuàng)天一籌莫展時，兩封郵件帶來了轉(zhuǎn)機(jī)。
　　
　　郵件來自剛從美國訪學(xué)回來的中國科學(xué)院物理研究所（以下簡稱物理所）研究員周興江。回來前，周興江在美國斯坦福大學(xué)同步輻射實(shí)驗室工作，研究高溫超導(dǎo)材料內(nèi)部的電子狀態(tài)?；貒螅捎诋?dāng)時國內(nèi)還沒有適用的同步輻射光源裝置，他一時間找不到合適的科研平臺。
　　
　　2004年5月的一天，周興江無意中在一本國際刊物上看到陳創(chuàng)天和許祖彥發(fā)表的論文，他們用許祖彥研制的世界首臺多波長寬調(diào)諧光參量放大器實(shí)現(xiàn)了184.7納米的深紫外全固態(tài)激光。這讓周興江眼前一亮：“我的研究有沒有可能用深紫外激光器實(shí)現(xiàn)呢？”按照論文作者信息，他給許祖彥和陳創(chuàng)天各發(fā)了一封郵件，很快就收到回復(fù)和邀約。周興江也因此成為第一位合作用戶。
　　
　　在財政部專項基金及中國科學(xué)院儀器設(shè)備研制和改造項目支持下，經(jīng)過多方共同努力，這次合作首戰(zhàn)告捷。2006年底，他們以深紫外激光為光源，研制出國際首臺“真空紫外激光角分辨光電子能譜儀”，并測量出電子的能量和動量?？粗娔X上顯示的能譜圖，周興江難掩心中激動：“比第三代同步輻射光源光電子能譜儀的精度還要高！”
　　
　　有了成功的經(jīng)驗，陳創(chuàng)天和許祖彥更加堅定了走下去的信心。2007年，財政部和中國科學(xué)院共同設(shè)立“國家重大科研裝備項目”試點(diǎn)專項。“深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制”（以下簡稱一期項目）成為首批啟動的8個試點(diǎn)項目之一，目標(biāo)是研制8類實(shí)用化、精密化深紫外固態(tài)激光源。項目由理化所牽頭，許祖彥和陳創(chuàng)天擔(dān)任首席科學(xué)家。
 
　　
　　2009年3月，國際首臺納秒深紫外固態(tài)激光源實(shí)用化樣機(jī)研制成功。左一為許祖彥，左二為一期項目總指揮詹文山。
　　
　　2013年，一期項目完成后，深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制（二期）項目（以下簡稱二期項目）啟動。許祖彥提出將研究領(lǐng)域從物理、化學(xué)、材料拓展至信息、生命、資環(huán)領(lǐng)域，并研制出6套國際領(lǐng)先的深紫外全固態(tài)激光源重大科研裝備，建立起“深紫外晶體—激光源—前沿裝備—科學(xué)研究—產(chǎn)業(yè)化”的完整鏈條。
　　
　　深紫外全固態(tài)激光光發(fā)射電子顯微鏡。
　　
　　攻下實(shí)用級KBBF晶體
　　
　　在深紫外固態(tài)激光源的研制中，KBBF晶體是研制鏈條的起點(diǎn)。
　　
　　KBBF晶體就像一顆小石子，體積很小，層狀結(jié)構(gòu)極易引起解理，很難長出大而厚的晶體，自然生長下厚度只有0.1毫米。更難的是，KBBF晶體生長不能采用傳統(tǒng)的“晶種法”，只能靠自然生長，即便撒下晶體“種子”，也無法誘導(dǎo)在其上定向聚集成核并生長，反而會在多處自發(fā)成核生長，最終收獲一大堆小而薄的碎晶體。
　　
　　1999年7月，陳創(chuàng)天牽頭組建團(tuán)隊，理化所研究員王曉洋就是其中的一員大將。他于2004年加入陳創(chuàng)天團(tuán)隊，負(fù)責(zé)KBBF晶體生長。
　　
　　KBBF晶體生長主要采用“爐海戰(zhàn)術(shù)”，4個月才能長出一爐，所以他們就安排了一堆爐子，給每個爐子創(chuàng)造不同的晶體生長條件。
　　
　　每次開爐無異于“開盲盒”，而結(jié)果總是不盡如人意。
　　
　　就在王曉洋極度郁悶之時，2006年下半年，連續(xù)兩個周期，有一臺爐子很“爭氣”地長出了厚達(dá)3毫米的KBBF晶體。“完全滿足實(shí)用需求！”王曉洋松了口氣，認(rèn)為已經(jīng)解決了晶體生長難題。
　　
　　可惜，喜悅有多大，失望就有多大。第三個及后面幾個試驗周期，KBBF晶體的良品率急劇下降。王曉洋花了很長時間才找到原因，原來是晶體生長所用原材料的生產(chǎn)廠家換了,此前“兩連勝”的KBBF晶體原料都來自同一個廠家，但第三個周期開始前，廠家突然倒閉，他們不得不更換了新廠家，買到的原料產(chǎn)自不同礦區(qū)，所含微量元素也有所不同。
　　
　　痛定思痛，王曉洋決定從頭制備原料。他們一邊重新生長晶體，一邊摸索出一套原料制備和提純方法。2013年，一期項目驗收時，他們在國際上首次實(shí)現(xiàn)了批量生長大尺寸、高質(zhì)量KBBF晶體的技術(shù)。
　　
　　一次次技術(shù)迭代、性能優(yōu)化讓KBBF晶體的品質(zhì)越來越高。“到2023年二期項目結(jié)束時，我們完全攻克了KBBF晶體生長工藝難題。”王曉洋說，二期項目結(jié)項時，KBBF晶體的良品率從一期項目的10%提升到30%。而如今，KBBF晶體的良品率已達(dá)60%以上，不但滿足了實(shí)用要求，還逐漸走向商業(yè)化。
　　
　　從晶體到激光器
　　
　　在開展晶體攻關(guān)的同時，激光器的研制也在進(jìn)行。早在一期項目立項之前，許祖彥就已經(jīng)開始摸索“如何用KBBF晶體制成實(shí)用化精密的深紫外激光源”。
　　
　　一般來說，當(dāng)激光器發(fā)射出的激光以特定匹配角穿過非線性光學(xué)晶體時，射出的激光線會“一分為二”，多出的這束光線的波長會變?yōu)樵す獠ㄩL的1/2，頻率則提升至兩倍。這被科學(xué)家稱為“激光倍頻技術(shù)”。
　　
　　當(dāng)時國際上鮮有人涉足波長小于200納米的固態(tài)激光“深紫外激光”研究。許祖彥等人做了一個設(shè)計，如果能夠用好KBBF晶體，1064納米激光經(jīng)過六倍頻，便可產(chǎn)生波長177.3納米的深紫外激光。
　　
　　要實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)計目標(biāo)，首先需要將晶體和棱鏡無縫組裝在一起。
　　
　　起初，許祖彥和陳創(chuàng)天試著將KBBF晶體按照一定方向“粘”在兩個紫外級石英棱鏡之間，然而，許祖彥找了兩年多，始終沒找到既能將棱鏡和KBBF晶體粘在一起，又能透過深紫外光的光學(xué)膠。
　　
　　既然沒有，那就自己造。團(tuán)隊另辟蹊徑，發(fā)明了光膠專利技術(shù)，用一種特殊工藝將KBBF晶體和棱鏡表面打磨得光滑平整，然后利用分子間作用力，直接讓棱鏡和晶體緊緊耦合在一起。憑借這種沒有膠的光膠工藝，他們成功發(fā)明了全球首個KBBF晶體棱鏡耦合裝置，首次實(shí)現(xiàn)1064納米激光的六倍頻輸出，將全固態(tài)激光波長縮短至177.3納米。
 
　　
　　KBBF族晶體和光膠棱鏡耦合器件。
　　
　　2005年，相關(guān)技術(shù)申報了國際專利并被授權(quán)。2020年，我國商務(wù)部和科技部聯(lián)合發(fā)文，將“KBBF晶體生長與棱鏡耦合器件加工技術(shù)”列入限制出口技術(shù)目錄。這成為我國少有的對國外實(shí)行技術(shù)禁運(yùn)的高新技術(shù)。
　　
　　2007年，一期項目立項后，他們繼續(xù)探索如何將深紫外棱鏡耦合倍頻器件發(fā)展成全固態(tài)深紫外激光源。
　　
　　理化所研究員張申金是首臺皮秒175~210納米寬調(diào)諧深紫外全固態(tài)激光源研制過程的親歷者之一。他記得，2010年，他們度過了一個壓力極大的夏天。
　　
　　皮秒175~210納米寬調(diào)諧深紫外全固態(tài)激光源屬于國際首創(chuàng)，不僅要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化與精密化的樣機(jī)并將其配套到前沿裝備光電子能譜儀上，還要實(shí)現(xiàn)每次開機(jī)每天運(yùn)行24小時，至少連續(xù)運(yùn)行約7天的目標(biāo)。
　　
　　為滿足光電子能譜儀對波長寬調(diào)諧后光束指向的要求，許祖彥和張申金一起討論二倍頻和四倍頻關(guān)鍵技術(shù)問題與解決方案，最終自主研發(fā)了高精度350~420納米寬調(diào)諧反向級聯(lián)二倍頻系統(tǒng)和高精度175~210納米寬調(diào)諧深紫外激光產(chǎn)生、整形及光束指向準(zhǔn)自動調(diào)控系統(tǒng)，滿足了整機(jī)要求。
　　
　　受益者
　　
　　在晶體與激光器技術(shù)被逐一攻克的同時，“定制化”的深紫外固態(tài)激光裝置平臺越來越多。
　　
　　周興江對10多年來的持續(xù)合作攻關(guān)歷程記憶猶新。
　　
　　2006年，周興江和陳創(chuàng)天、許祖彥初次合作首戰(zhàn)告捷后，他們在一期項目中繼續(xù)合作。一期項目8臺科學(xué)儀器設(shè)備，周興江團(tuán)隊負(fù)責(zé)了其中兩臺半的制備工作。
　　
　　這其中的“半臺”設(shè)備，指的是調(diào)整周興江此前合作建設(shè)的真空紫外激光角分辨光電子能譜儀。另外兩臺設(shè)備，一臺是深紫外激光自旋分辨角分辨光電子能譜儀，另一臺是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。
　　
　　一期項目結(jié)束后，周興江盼望能有一臺具備極低溫研究環(huán)境的深紫外激光裝備，觀察極低溫條件下超導(dǎo)材料的電子結(jié)構(gòu)，于是又參與了二期項目。
　　
　　歷時8年，周興江團(tuán)隊和陳創(chuàng)天、許祖彥團(tuán)隊制成國際首臺大動量極低溫深紫外激光光電子能譜儀，不僅創(chuàng)造了0.8開氏度的極低溫紀(jì)錄，還將光子能量提升到7.4電子伏特。至此，科研人員終于能精準(zhǔn)“看清”超導(dǎo)材料的微觀電子結(jié)構(gòu)，探索超導(dǎo)、拓?fù)涞认冗M(jìn)量子材料奇特物性的起源了。
　　
　　2013年9月，研究人員操作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。
　　
　　從2004年合作至今，作為我國紫外固態(tài)激光裝備研制的見證者和參與者，周興江收獲頗豐。2013年，他因以深紫外全固態(tài)激光前沿裝置為平臺做出的重要研究成果，榮獲全球華人物理學(xué)會亞洲成就獎。今年，他又基于大動量極低溫深紫外激光角分辨光電子能譜儀，揭示了鐵基超導(dǎo)配對機(jī)理中的關(guān)鍵信息，引發(fā)國際關(guān)注。
　　
　　深紫外固態(tài)激光裝置的受益者，還有中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大化所）。深紫外一期項目期間，理化所為大化所定制的深紫外激光源使其發(fā)現(xiàn)了石墨烯對催化反應(yīng)的調(diào)控作用、石墨烯對鉑金催化表面反應(yīng)有限域增強(qiáng)效應(yīng)等不少新現(xiàn)象。
　　
　　除了周興江團(tuán)隊、大化所團(tuán)隊外，理化所還與中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院團(tuán)隊合作，用特別定制的深紫外激光研制鋁離子光頻標(biāo)；與中國科學(xué)院化學(xué)研究所團(tuán)隊合作，研制出高靈敏度深紫外/紅外離子化檢測質(zhì)譜光譜儀；與中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所團(tuán)隊合作，研制出深紫外激光調(diào)制反射光譜儀。
　　
　　從2007年一期項目開始，到2023年二期項目驗收，我國科學(xué)家自主研制成功16種20臺深紫外固態(tài)激光源前沿科研儀器，覆蓋材料、物理、化學(xué)、生命、信息、資環(huán)六大領(lǐng)域。
　　
　　2013年9月，研究人員在操作深紫外激光光化學(xué)反應(yīng)儀。理化所供圖
　　
　　向遠(yuǎn)而行
　　
　　經(jīng)過兩期項目15年的探索，我國深紫外科研儀器設(shè)備已經(jīng)初步形成“深紫外晶體—激光源—前沿裝備—科學(xué)研究—產(chǎn)業(yè)化”的自主創(chuàng)新鏈條。
　　
　　“過去，中國所有大型科研儀器設(shè)備都得從國外進(jìn)口。如今在深紫外全固態(tài)激光源領(lǐng)域，我們可以獨(dú)立自主研發(fā)大型科研儀器設(shè)備了，這極大增強(qiáng)了我國科研人員的信心。”許祖彥說。
　　
　　一期項目結(jié)題驗收會上，許祖彥曾在技術(shù)總結(jié)報告中說：“深紫外激光大型科學(xué)裝置是國際首創(chuàng)。我們用事實(shí)證明了中國人有可能、有能力自主創(chuàng)新開發(fā)大型科學(xué)裝置，我們今天突破了！”
　　
　　時至今日，科學(xué)家們探索的腳步并未停止。他們下一階段的目標(biāo)之一是推進(jìn)深紫外固態(tài)激光裝置產(chǎn)業(yè)化，研制出更多品種的、包括連續(xù)出光的激光器在內(nèi)的深紫外激光源。
　　
　　在應(yīng)用方面，現(xiàn)已84歲的許祖彥有一個心愿——用深紫外全固態(tài)激光裝備，把國際長度計量基準(zhǔn)固定下來。隨著制造業(yè)的發(fā)展，測量精度的要求也在不斷提高。早在19世紀(jì)初，物理學(xué)家就提出以可見波長作為長度基準(zhǔn)的設(shè)想。許祖彥希望二期項目中的鋁離子光頻標(biāo)設(shè)備，能夠利用精準(zhǔn)深紫外激光，助力我國“做出中國自己的標(biāo)準(zhǔn)長度，領(lǐng)跑世界”。
　　
　　如今，深紫外激光這塊處女地已經(jīng)繁花似錦。面對無限的應(yīng)用可能，許祖彥反復(fù)說：“大型科學(xué)儀器的突破絕不可能是一個人努力的結(jié)果，而是國家、中國科學(xué)院、各科研機(jī)構(gòu)共同協(xié)作的成果，是集體智慧的結(jié)晶。無論未來怎樣發(fā)展，這一點(diǎn)不會變。”
　　
　　《中國科學(xué)報》 (2024-07-29 第4版 專題)