深紫外激光源研究:推倒200nm上的一堵墙

2011-11-04 08:03 来源: 科学时报
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  激光技术的发展让人类的视野不断拓宽。但多少年来,波长小于200nm的深紫外波段,一直是个神秘又难以逾越的坎。

  200nm上的这堵“墙”把人类挡在了外面。由于深紫外激光源的缺席,许多重要的科学研究只得搁置。

  但中科院的一群科学家不能接受这样的现实。30年来,他们不但找到了深紫外光学材料和激光源,还研制出8台深紫外固态激光源装备。自2008年启动以来,“深紫外固态激光源前沿装备研制项目”进展顺利,多台仪器已初步用于前沿科学研究。

  正如项目首席科学家、中国工程院院士许祖彦所说:“上帝没有给我们一个这么好的光源,我们就要自己去找。”

突破200nm
 

  上世纪90年代初,非线性光学晶体接连将Nd:YAG激光波长从近红外拓展到可见光,甚至近紫外波长区。这带给人们一种隐约的希望:如果能找到一种晶体,使激光波长拓展到深紫外光谱区,人类将有望认识一个前所未有的世界。

  在这样的背景下,中国科学家介入了这一课题。

  “80年代我们获得了第一批国家科研基金,15万元。”项目首席科学家、中科院院士陈创天告诉《科学时报》记者,虽然现在看来这笔钱并不多,但当时已是很了不起的事了。

  在这笔经费的资助下,陈创天的研究如虎添翼。1991年,他在发现硼酸盐系列非线性光学晶体后,运用分子设计工程学方法发现了KBBF晶体。5年后,他证实了此晶体可实现深紫外相干光输出,最短波长达到184.7nm。

  从此,深紫外的时代开启了。在此基础上,陈创天研究组于2005年陆续发现了RBBF、CBBF等非线性光学晶体,从而拿到了完整的KBBF族非线性光学系列晶体。

  许祖彦则形容自己的工作是“二传手”。深紫外非线性光学晶体问世后,如何将其研制成实用的精密化激光源,并配合后续的仪器研制,是他面临的最大难题。

  但20多年前,中国大陆还没有这方面的实验装置,陈创天和许祖彦不得不跑到香港科技大学,借用了他们的实验室。两个人窝在实验室里,每天工作到深夜一两点,终于搞出了KBBF晶体棱镜耦合装置。目前,该装置仍是该晶体唯一的实用化技术。

  之后两人密切配合,在国际上首次实现KBBF晶体倍频输出深紫外激光,并最终发展出实用化的深紫外固态激光源。

  2009年,英国《自然》杂志发表评论文章称,KBBF晶体“真是一块完美的晶体,它确实可促使某些领域向前发展”。

“看到图像的那一刻,什么都值了”

  深紫外光源的问世尽管已经震惊世界,但对许祖彦来说,他的工作才只做了一半。

  “科技发展如此之快,为保证我们的仪器始终保持领先,科研人员必须不断调整技术方案。”项目工程总体部总经理、中科院理化所研究员詹文山说。为此总体部还设立了一个工程监理部,这在国内的科研项目中都很少见。

  对这种经常要推翻重来的工作方式,许祖彦表示“很理解”。在3年多的时间里,他的团队满足了仪器研制人员变更技术方案的多项技术要求,解决了光源与8台仪器对接的工程问题。

  中科院大连化学物理研究所研究员傅强是“深紫外激光光发射电子显微镜(PEEM)”子项目的负责人。“PEEM就像一条美人鱼,‘头’是电子发射技术,‘尾’是电子显微镜技术。这种技术可对物质表面结构、电子态、化学反应等进行原位、动态研究,在化学、物理、材料等领域有着重要应用。”

  但是,现有的PEEM激发光源为气体放电光源或者同步辐射光源,这些光源亮度较低,空间分辨能力一般只能达到20~50nm,限制了PEEM的广泛应用。

  2007~2009年,傅强等人利用深紫外激光高能量、高光束流强度、相干性等优点,研制出一套性能优越的深紫外激光PEEM系统。利用这台仪器,大连化物所已在石墨烯原位生长、界面限域化学反应等领域取得了一些初步成果。

  “我们第一次做这种仪器,中间遇到很多困难,有半年多的时间情绪也很低落。”傅强坦陈,“不过2009年夏天,我们第一次看到了显微镜成像图,那一刻觉得什么都值了。”

  与深紫外光电子发射显微镜类似,深紫外拉曼光谱仪、深紫外激光光化学反应仪、深紫外激光光致发光光谱仪、深紫外激光自旋分辨角分辨光电子能谱仪、深紫外激光原位时空分辨隧道电子谱仪、基于飞行时间能量分析器的深紫外激光角分辨光电子能谱仪均达到国际领先水平。另一台光子能量可调深紫外激光光电子能谱仪也基本研制完成,正在调试当中。

  不过,对更多的中国科研工作者和社会公众来说,这个总投资1.8亿元人民币的项目,究竟有着怎样的应用前景?

以“短”见长的深紫外
 

  目前已有的深紫外光源一类是准分子激光器,另一类是同步辐射光源。准分子激光器脉宽宽,难以满足激发态快速动力学过程的研究;而同步辐射光源虽具有较快的时间分辨,但装置体积巨大,科研人员只能把实验搬过去做,带来许多不便。

  深紫外固态激光源在时间、空间和能量分辨率上,都有着绝对优势。“更重要的是,这些仪器装备将来有望小型化,甚至可以进行市场化推广。”中科院院士李灿介绍。

  李灿负责研制的深紫外拉曼光谱仪就是一个例子。目前这台仪器已初步应用于催化、材料、能源、生物、环境等领域。在水污染检测中,仪器灵敏度达到了环境水污染国际最低检测限。“只要一滴水就能检测水污染。”

  詹文山透露,目前2mm以下的KBBF晶体已可小批量生产,满足国内市场需求。受国家工业水平限制,8台仪器还不能全部实现商业化,但中科院已在考虑选取其中的1至2个,逐步进行产业化的尝试。

  2006年,时任中科院院长路甬祥在中科院物理所考察时曾说:“如果没有仪器设备的自主创新,也很难有新的理论上的突破。一种新仪器新装备的诞生,往往是打开一个新方向新领域的关键桥梁。”

  这句话,许祖彦一直记得,项目团队的每一个成员也记得:“这些年来,我们证明了‘材料—器件—装备—科研—产业’的自主创新链是可行的,也证明了中科院此类研究性和工程性均很强的科研项目是可行的。”