探索深紫外的神秘世界

深紫外光，是指波長(zhǎng)短于200 nm（納米）的光波，屬于不可見(jiàn)光，光子能量大，是深紫外前沿研究的核心光源，過(guò)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(shí)用化程度低（能量分辨率低、光子通量小、光子流密度低及運(yùn)轉(zhuǎn)模式單一等）。多年以來(lái)，激光界一直將200nm形容為全固態(tài)激光的一堵“墻”， 誰(shuí)突破了這堵墻，誰(shuí)就可能掌握精密化、實(shí)用化深紫外全固態(tài)激光探測(cè)手段，占領(lǐng)深紫外前沿研究領(lǐng)域的制高點(diǎn)。

在自然界，有一半以上的材料，至今人們難以判斷其精細(xì)特征，因這些材料只能在深紫外波段才能吸收光子，對(duì)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(xì)或精確的性能;深紫外全固態(tài)激光入射到凝聚態(tài)物質(zhì)后可以打出電子，根據(jù)愛(ài)因斯坦外光電效應(yīng)，就可以探測(cè)到物質(zhì)精細(xì)的微觀(guān)電子狀態(tài)（能量、動(dòng)量和自旋），從而可以解讀材料的宏觀(guān)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(guān)測(cè)電子行為的“高倍顯微鏡”，在它的幫助下，科學(xué)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(wèn)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(guān)鍵是找到合適的非線(xiàn)性光學(xué)晶體。經(jīng)過(guò)10余年努力，中科院在國(guó)際上率先生長(zhǎng)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(xiàn)性光學(xué)晶體。大尺寸深紫外非線(xiàn)性光學(xué)KBBF晶體生長(zhǎng)成功以后，如何將其研制成精密化、實(shí)用化激光源，則成為一個(gè)棘手的問(wèn)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(shù)（已獲中、日、美專(zhuān)利），即無(wú)需按照匹配角斜切割晶體，即可實(shí)現(xiàn)深紫外全固態(tài)激光倍頻輸出。KBBF棱鏡耦合器件在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了1064nm激光的6倍頻輸出，將全固態(tài)激光波長(zhǎng)縮短至177.3nm，首次將深紫外激光技術(shù)實(shí)用化、精密化。

KBBF晶體是如何發(fā)揮作用的呢？在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，你可以看到，在一米二長(zhǎng)、一米寬的光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，放置著一臺(tái)深紫外（177.3 nm）全固態(tài)激光源（見(jiàn)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(jī)物等對(duì)深紫外激光有強(qiáng)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(nèi)的高真空或高純氮?dú)?氦氣環(huán)境下。

研究團(tuán)隊(duì)在此前的基礎(chǔ)上，最終研發(fā)出精密化、實(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)等特點(diǎn)，非常利于開(kāi)發(fā)深紫外固態(tài)激光源前沿裝備，在前沿科研中觀(guān)測(cè)新現(xiàn)象、獲取新數(shù)據(jù)，因此深紫外激光技術(shù)與前沿裝備的研發(fā)在物理、材料、化學(xué)、信息、生命、資環(huán)六大學(xué)科領(lǐng)域都有重大的應(yīng)用前景。

獨(dú)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(guó)前沿科研裝備，中國(guó)科學(xué)院暫時(shí)禁止深紫外全固態(tài)激光相關(guān)技術(shù)出口。為開(kāi)創(chuàng)深紫外領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新局面，2007年，在財(cái)政部和中科院的支持下，設(shè)立了深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制項(xiàng)目，并制訂了創(chuàng)新的組織管理模式。該項(xiàng)目于2013年9月通過(guò)驗(yàn)收，全面完成了研制任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)：我國(guó)成為世界上唯一能夠制造實(shí)用化深紫外全固態(tài)激光源的國(guó)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(duì)學(xué)科交叉面廣、跨度大、探索性和工程性均很強(qiáng)的原創(chuàng)性重大科研裝備自主創(chuàng)新積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。9種國(guó)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(diào)深紫外激光光電子能譜儀、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、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(xué)反應(yīng)儀及深紫外激光原位時(shí)間分辨隧道電子譜儀。

我國(guó)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(xué)學(xué)科領(lǐng)域研究提供全新的探索手段，能將微觀(guān)世界看得更清晰，已經(jīng)在高溫超導(dǎo)、催化反應(yīng)、石墨烯、拓?fù)浣^緣體和超寬禁帶半導(dǎo)體等一系列重大前沿科學(xué)研究領(lǐng)域中獲得了重要結(jié)果，已有近百篇論文發(fā)表于Nature及子刊等國(guó)際頂級(jí)科學(xué)期刊，不斷推動(dòng)相關(guān)科學(xué)儀器行業(yè)的科技進(jìn)步，有望創(chuàng)建新的科技前沿，使我國(guó)科學(xué)家在深紫外前沿探索中占據(jù)主動(dòng)。例如，通過(guò)外光電效應(yīng)，觀(guān)測(cè)凝聚態(tài)物質(zhì)內(nèi)電子的能量、動(dòng)量、自旋三種基本參數(shù)來(lái)探索物性的光電子能譜儀，大大提高了觀(guān)測(cè)電子能級(jí)的清晰度，主要技術(shù)指標(biāo)都成量級(jí)提高，在銅氧化物高溫超導(dǎo)體中，直接看清了費(fèi)米能級(jí)是口袋形的，為建立高溫超導(dǎo)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(jié)構(gòu)，有助于在Ir氧化物中探索新型高溫超導(dǎo)材料;過(guò)去看不到的電子自旋結(jié)構(gòu)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?fù)浣^緣體Bi2Se3的自旋結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)是固定在一起的，等等。

在科技部支持下，中科院已啟動(dòng)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(chǎng);并在財(cái)政部及中科院支持和領(lǐng)導(dǎo)下啟動(dòng)了深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制二期工作，開(kāi)展6種國(guó)際創(chuàng)新水平前沿裝備的研制工作，從物理、材料、化學(xué)領(lǐng)域拓展到信息、資環(huán)、生命領(lǐng)域，繼續(xù)推動(dòng)深紫外技術(shù)的深度開(kāi)發(fā)。

團(tuán)隊(duì)介紹：

中國(guó)科學(xué)院陳創(chuàng)天院士團(tuán)隊(duì)和許祖彥院士團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事非線(xiàn)性光學(xué)晶體生長(zhǎng)和固體激光研究，積十余年的探索，在深紫外非線(xiàn)性光學(xué)晶體、激光光源及應(yīng)用研究領(lǐng)域取得重大突破，在國(guó)際上首次生長(zhǎng)出大尺寸深紫外非線(xiàn)性光學(xué)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(jìn)技術(shù)，創(chuàng)建了KBBF族晶體生長(zhǎng)、器件制備平臺(tái)與深紫外全固態(tài)激光源研發(fā)平臺(tái)，成功研制了9種深紫外全固態(tài)激光源，并與院內(nèi)多個(gè)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(guó)成為世界上唯一能夠制造實(shí)用化深紫外全固態(tài)激光源的國(guó)家，開(kāi)創(chuàng)了深紫外領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新局面，使我國(guó)在該領(lǐng)域的研究處于國(guó)際領(lǐng)先地位，是自主研發(fā)高精尖儀器的成功范例，推動(dòng)了我國(guó)大型科學(xué)儀器研制的發(fā)展。