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    深紫外激光技術(shù)的發(fā)展

    2012-6-15 8:14:21

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          激光技術(shù)的發(fā)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(xué)研究只得擱置。
     
    　　但中科院的一群科學(xué)家不能接受這樣的現(xiàn)實。30年來，他們不但找到了深紫外光學(xué)材料和激光源，還研制出8臺深紫外固態(tài)激光源裝備。自2008年啟動以來，“深紫外固態(tài)激光源前沿裝備研制項目”進(jìn)展順利，多臺儀器已初步用于前沿科學(xué)研究。
     
    　　正如項目首席科學(xué)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?！?/font>
     
    　　突破200nm
     
    　　上世紀(jì)90年代初，非線性光學(xué)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(qū)。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(qū)，人類將有望認(rèn)識一個前所未有的世界。
     
    　　在這樣的背景下，中國科學(xué)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(xué)家、中科院院士陳創(chuàng)天告訴《科學(xué)時報》記者，雖然現(xiàn)在看來這筆錢并不多，但當(dāng)時已是很了不起的事了。
     
    　　在這筆經(jīng)費的資助下，陳創(chuàng)天的研究如虎添翼。1991年，他在發(fā)現(xiàn)硼酸鹽系列非線性光學(xué)晶體后，運用分子設(shè)計工程學(xué)方法發(fā)現(xiàn)了KBBF晶體。5年后，他證實了此晶體可實現(xiàn)深紫外相干光輸出，最短波長達(dá)到184.7nm。
     
    　　從此，深紫外的時代開啟了。在此基礎(chǔ)上，陳創(chuàng)天研究組于2005年陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了RBBF、CBBF等非線性光學(xué)晶體，從而拿到了完整的KBBF族非線性光學(xué)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(xué)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(xù)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(chuàng)天和許祖彥不得不跑到香港科技大學(xué)，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(shù)。
     
    　　之后兩人密切配合，在國際上首次實現(xiàn)KBBF晶體倍頻輸出深紫外激光，并最終發(fā)展出實用化的深紫外固態(tài)激光源。
     
    　　2009年，英國《自然》雜志發(fā)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(lǐng)域向前發(fā)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(jīng)震驚世界，但對許祖彥來說，他的工作才只做了一半。
     
    　　“科技發(fā)展如此之快，為保證我們的儀器始終保持領(lǐng)先，科研人員必須不斷調(diào)整技術(shù)方案?！表椖抗こ炭傮w部總經(jīng)理、中科院理化所研究員詹文山說。為此總體部還設(shè)立了一個工程監(jiān)理部，這在國內(nèi)的科研項目中都很少見。
     
    　　對這種經(jīng)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(tuán)隊滿足了儀器研制人員變更技術(shù)方案的多項技術(shù)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(xué)物理研究所研究員傅強(qiáng)是“深紫外激光光發(fā)射電子顯微鏡（PEEM）”子項目的負(fù)責(zé)人?！癙EEM就像一條美人魚，‘頭’是電子發(fā)射技術(shù)，‘尾’是電子顯微鏡技術(shù)。這種技術(shù)可對物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)、電子態(tài)、化學(xué)反應(yīng)等進(jìn)行原位、動態(tài)研究，在化學(xué)、物理、材料等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用?！?/font>
     
    　　但是，現(xiàn)有的PEEM激發(fā)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(dá)到20～50nm，限制了PEEM的廣泛應(yīng)用。
     
    　　2007～2009年，傅強(qiáng)等人利用深紫外激光高能量、高光束流強(qiáng)度、相干性等優(yōu)點，研制出一套性能優(yōu)越的深紫外激光PEEM系統(tǒng)。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(xué)反應(yīng)等領(lǐng)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(qiáng)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?！?/font>
     
    　　與深紫外光電子發(fā)射顯微鏡類似，深紫外拉曼光譜儀、深紫外激光光化學(xué)反應(yīng)儀、深紫外激光光致發(fā)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(dá)到國際領(lǐng)先水平。另一臺光子能量可調(diào)深紫外激光光電子能譜儀也基本研制完成，正在調(diào)試當(dāng)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(yīng)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(zhǔn)分子激光器，另一類是同步輻射光源。準(zhǔn)分子激光器脈寬寬，難以滿足激發(fā)態(tài)快速動力學(xué)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(tài)激光源在時間、空間和能量分辨率上，都有著絕對優(yōu)勢?！案匾氖牵@些儀器裝備將來有望小型化，甚至可以進(jìn)行市場化推廣?！敝锌圃涸菏坷顮N介紹。
     
    　　李燦負(fù)責(zé)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(yīng)用于催化、材料、能源、生物、環(huán)境等領(lǐng)域。在水污染檢測中，儀器靈敏度達(dá)到了環(huán)境水污染國際最低檢測限?！爸灰坏嗡湍軝z測水污染?！?/font>
     
    　　詹文山透露，目前2mm以下的KBBF晶體已可小批量生產(chǎn)，滿足國內(nèi)市場需求。受國家工業(yè)水平限制，8臺儀器還不能全部實現(xiàn)商業(yè)化，但中科院已在考慮選取其中的1至2個，逐步進(jìn)行產(chǎn)業(yè)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(shè)備的自主創(chuàng)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(lǐng)域的關(guān)鍵橋梁。”
     
    　　這句話，許祖彥一直記得，項目團(tuán)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(chǎn)業(yè)’的自主創(chuàng)新鏈?zhǔn)强尚械?，也證明了中科院此類研究性和工程性均很強(qiáng)的科研項目是可行的?！?/font>
     
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