探索深紫外的神秘世界

深紫外光，是指波長短于200 nm（納米）的光波，屬于不可見光，光子能量大，是深紫外前沿研究的核心光源，過去主要依靠同步輻射和氣體放電等非相干光源，但這些光源的精密化、實用化程度低（能量分辨率低、光子通量小、光子流密度低及運轉模式單一等）。多年以來，激光界一直將200nm形容為全固態(tài)激光的一堵“墻”， 誰突破了這堵墻，誰就可能掌握精密化、實用化深紫外全固態(tài)激光探測手段，占領深紫外前沿研究領域的制高點。

在自然界，有一半以上的材料，至今人們難以判斷其精細特征，因這些材料只能在深紫外波段才能吸收光子，對其打入深紫外激光令其發(fā)生定向變化，就可以知道這些材料詳細或精確的性能;深紫外全固態(tài)激光入射到凝聚態(tài)物質后可以打出電子，根據(jù)愛因斯坦外光電效應，就可以探測到物質精細的微觀電子狀態(tài)（能量、動量和自旋），從而可以解讀材料的宏觀物理特性。擁有了深紫外全固態(tài)激光，就能夠發(fā)展出能觀測電子行為的“高倍顯微鏡”，在它的幫助下，科學家們可將世界看得更清晰：看到之前看不到的現(xiàn)象，看清之前看不清的世界，由此探索世界的新問題，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，獲得新數(shù)據(jù)。

深紫外全固態(tài)激光如何產(chǎn)生？

全固態(tài)激光器要產(chǎn)生深紫外激光，關鍵是找到合適的非線性光學晶體。經(jīng)過10余年努力，中科院在國際上率先生長出大尺寸KBBF（氟硼鈹酸鉀）晶體，是目前唯一可倍頻產(chǎn)生深紫外激光的非線性光學晶體。大尺寸深紫外非線性光學KBBF晶體生長成功以后，如何將其研制成精密化、實用化激光源，則成為一個棘手的問題。許祖彥院士研究組與陳創(chuàng)天院士研究組合作，發(fā)明出KBBF晶體的棱鏡耦合技術（已獲中、日、美專利），即無需按照匹配角斜切割晶體，即可實現(xiàn)深紫外全固態(tài)激光倍頻輸出。KBBF棱鏡耦合器件在國際上首次實現(xiàn)了1064nm激光的6倍頻輸出，將全固態(tài)激光波長縮短至177.3nm，首次將深紫外激光技術實用化、精密化。

KBBF晶體是如何發(fā)揮作用的呢？在實驗室內，你可以看到，在一米二長、一米寬的光學實驗平臺上，放置著一臺深紫外（177.3 nm）全固態(tài)激光源（見圖），分三部分：一部分為泵浦源系統(tǒng)A（包括基頻、二倍頻和三倍頻激光系統(tǒng)），二部分為六倍頻系統(tǒng)B，為深紫外全固態(tài)激光產(chǎn)生系統(tǒng)，三部分為深紫外全固態(tài)激光整形輸出系統(tǒng)C?？諝庵械乃?、氧氣及有機物等對深紫外激光有強烈的吸收，因此深紫外激光的產(chǎn)生及整形需要在真空腔內的高真空或高純氮氣/氦氣環(huán)境下。

研究團隊在此前的基礎上，最終研發(fā)出精密化、實用化的系列深紫外全固態(tài)激光源，具有光子能量高、光譜分辨率高、光子流密度大、可低重頻至高重頻及納秒、皮秒和飛秒多種方式運轉等特點，非常利于開發(fā)深紫外固態(tài)激光源前沿裝備，在前沿科研中觀測新現(xiàn)象、獲取新數(shù)據(jù)，因此深紫外激光技術與前沿裝備的研發(fā)在物理、材料、化學、信息、生命、資環(huán)六大學科領域都有重大的應用前景。

獨步世界的深紫外固態(tài)激光源前沿裝備

為了自主發(fā)展我國前沿科研裝備，中國科學院暫時禁止深紫外全固態(tài)激光相關技術出口。為開創(chuàng)深紫外領域科學技術發(fā)展的新局面，2007年，在財政部和中科院的支持下，設立了深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制項目，并制訂了創(chuàng)新的組織管理模式。該項目于2013年9月通過驗收，全面完成了研制任務，達到了預期目標：我國成為世界上唯一能夠制造實用化深紫外全固態(tài)激光源的國家，并研發(fā)成功9種系列化新型深紫外固態(tài)激光源前沿裝備，對學科交叉面廣、跨度大、探索性和工程性均很強的原創(chuàng)性重大科研裝備自主創(chuàng)新積累了豐富經(jīng)驗。9種國際首創(chuàng)的深紫外固態(tài)激光源前沿裝備分別為：深紫外激光高能量分辨角分辨光電子能譜儀、深紫外激光自旋分辨角分辨光電子能譜儀、光子能量可調深紫外激光光電子能譜儀、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、深紫外激光光發(fā)射電子顯微鏡、深紫外激光拉曼光譜儀、深紫外激光光致發(fā)光光譜儀、深紫外激光光化學反應儀及深紫外激光原位時間分辨隧道電子譜儀。

我國自主研制的9種深紫外固態(tài)激光源前沿裝備，屬全球首創(chuàng)，為物理、材料、化學學科領域研究提供全新的探索手段，能將微觀世界看得更清晰，已經(jīng)在高溫超導、催化反應、石墨烯、拓撲絕緣體和超寬禁帶半導體等一系列重大前沿科學研究領域中獲得了重要結果，已有近百篇論文發(fā)表于Nature及子刊等國際頂級科學期刊，不斷推動相關科學儀器行業(yè)的科技進步，有望創(chuàng)建新的科技前沿，使我國科學家在深紫外前沿探索中占據(jù)主動。例如，通過外光電效應，觀測凝聚態(tài)物質內電子的能量、動量、自旋三種基本參數(shù)來探索物性的光電子能譜儀，大大提高了觀測電子能級的清晰度，主要技術指標都成量級提高，在銅氧化物高溫超導體中，直接看清了費米能級是口袋形的，為建立高溫超導理論提供了重要信息;首次看清了Sr2IrO4的高能奇異電子能帶為瀑布型結構，有助于在Ir氧化物中探索新型高溫超導材料;過去看不到的電子自旋結構現(xiàn)在可以看到了：首次看到Au（111）表面態(tài)存在自旋劈裂，并發(fā)現(xiàn)拓撲絕緣體Bi2Se3的自旋結構和軌道結構是固定在一起的，等等。

在科技部支持下，中科院已啟動了深紫外全固態(tài)激光源及其前沿裝備產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)工作，逐步將其推向市場;并在財政部及中科院支持和領導下啟動了深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制二期工作，開展6種國際創(chuàng)新水平前沿裝備的研制工作，從物理、材料、化學領域拓展到信息、資環(huán)、生命領域，繼續(xù)推動深紫外技術的深度開發(fā)。

團隊介紹：

中國科學院陳創(chuàng)天院士團隊和許祖彥院士團隊長期從事非線性光學晶體生長和固體激光研究，積十余年的探索，在深紫外非線性光學晶體、激光光源及應用研究領域取得重大突破，在國際上首次生長出大尺寸深紫外非線性光學晶體KBBF，率先發(fā)展出倍頻產(chǎn)生深紫外全固態(tài)激光的先進技術，創(chuàng)建了KBBF族晶體生長、器件制備平臺與深紫外全固態(tài)激光源研發(fā)平臺，成功研制了9種深紫外全固態(tài)激光源，并與院內多個單位合作，成功研發(fā)了9種新型深紫外固態(tài)激光源前沿裝備，打造了深紫外“晶體-光源-裝備-科研-產(chǎn)業(yè)化”自主創(chuàng)新鏈，使我國成為世界上唯一能夠制造實用化深紫外全固態(tài)激光源的國家，開創(chuàng)了深紫外領域科學技術發(fā)展的新局面，使我國在該領域的研究處于國際領先地位，是自主研發(fā)高精尖儀器的成功范例，推動了我國大型科學儀器研制的發(fā)展。