深紫外态激光技术.doc

中新社北京10月27日电 (记者 孙自法)工欲善其事，必先利其器。中国科学家利用独创、独有的深紫外技术和深紫外激光非线性光学晶体，已成功研制出深紫外激光拉曼光谱仪、深紫外激光发射电子显微镜等8台深紫外固态激光源前沿装备，均为当今世界所独有的科研利器，居深紫外领域国际领先地位。 记者27日从中国科学院获悉，总投资1.8亿元人民币的深紫外固态激光源前沿装备研制项目，2008年启动实施以来进展顺利，现已研制成功的8台前沿装备还包括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等国际领先水平的仪器设备，另外1台光子能量可调深紫外激光光电子能谱仪研制工作也已基本完成，正在调试之中。目前，多台仪器设备已初步用于前沿科学研究，并表现出优异的性能。 中科院整合麾下理化技术研究所、物理研究所、大连化学物理研究所、半导体研究所科研资源，在财政部专项资金支持下，设立深紫外固态激光源前沿装备研制项目，设计出从“材料器件装备科学研究”完整研发体系。在成功研制8台重大仪器设备的同时，还搭建有深紫外非线性晶体和器件研制平台、深紫外固态激光器研发平台和深紫外应用仪器开发平台，核心器件深紫外晶体及器件已实现小批量生产，为仪器设备后续发展尤其是产业化工作奠定了基础。 深紫外固态激光技术突破是中国新型科学仪器研发的难得机遇。中科院在前期工作基础上，正组织专家进一步调研，一方面，将研制成功的8台仪器设备中技术成熟、具有市场潜力的发展为商品化仪器设备，推动中国高端科学仪器产业化；另一方面，进一步整合人才、技术力量，继续研发新型深紫外科学仪器和设备。 据介绍，深紫外全固态激光源指输出波长在200纳米以下的固体激光器，与同步辐射和气体放电光源等现有光源相比具有高的光子流通量/密度、好的方向性和相干性。中科院自上世纪90年代初开始研究深紫外非线性光学晶体和激光技术，经过20多年努力，在国际上首次生长出可直接倍频产生深紫外激光非线性光学晶体，并发明棱镜耦合技术，率先发展出实用化的深紫外固态激光源，使中国成为当今世界上唯一掌握深紫外全固态激光技术的国家。 记者：据了解，KBBF晶体的发明及应用作为我国具有国际领先水平的自主知识产权的核心技术之一，特别是在光电子能谱仪上的应用，建造成功超高分辨率光电子能谱仪被列为为数不多的“出口管制”技术，不能不说这是我国科学技术的一大进步，让国人扬眉吐气并为之自豪。请您介绍一下相关的情况？ 陈创天：这个是真正具有国际领先的自主知识产权的一个核心技术，是我们国家独有的。使用这个KBBF晶体的棱镜耦合装制，激光通过它时可把波长缩短了一半，从而可产生177.3nm的相干光，并把这一新型激光源装备到光电子能谱仪上。目前深紫外激光超高分辨率光电子能谱仪只有两台，一台在日本也是与我们合作的，一台在科学院物理所。用这个激光源装备的光电子能谱仪，在国际上第一次直接观测到了超导体的超导现象。目前斯坦福大学、美国布鲁克海文国家实验室等国际上很多重要的实验室，都希望用这一光源来建设、更新他们的光电子能谱仪。现在我们中科院为了推动我国自主知识产权的装备研究，决定这个KBBF晶体的棱镜耦合装制，暂时不对美国出售，以保护我们国家先进仪器设备的研制，这也是我国在高技术领域第一次对发达国说NO。目前只有我们这里能加工出这样的器件，并有专利保护,国外标价每个35万美元。今年我们能做15个，明年打算做20个，以后批量大约能做到50个。大家都说这是光电子能谱仪的“芯片”，这就好比计算机的“CPU” 记者：对于上述科学院的决定，您的感受是什么？相关于此的下一步有什么工作计划吗？ 陈创天：科技界高新技术从来都不是花钱可以买来的，买来的都不是最新的、一流的。能做出最高水平成果的仪器，他们是不会给我们的，他们买给我们的基本上是他们已经做完原理性的实验，相对已经落后的仪器。对于前沿科学来说，没有一流的科学仪器就不能拿到一流的科学数据，没有一流的科学数据就做不出一流的科学成果。很多科学技术的原创性成果，没有一流的仪器就做不出来，所以这也是科学院非常强调的，我们要用我们的核心技术来推动一批真正一流科学仪器的发展。我们要证明中国人还是有能力在这方面创新的。 下一步，我们希望再往更“精”的方向去努力，我们将致力于促进中国的先进仪器制造，特别是科学仪器的制造，如：光发射电子显微镜等。目前我们国家绝大多数的科学仪器都是进口的，真正自已制造的微忽其微，我们希望通过这一核心技术的推广使用，能够改变这一状况。 记者：深紫外非线性光学晶体KBBF的研究开展的背景是什么？ 陈创天： 随着193nm光刻技术和微、纳米精细激光加工的发展，需要波长更短的激光光源，达到200-150纳米。这就是深紫外也叫真空紫外光源。特别是当前超高能量分辨率光电子能谱仪和光电子发射显微镜等现代化仪器对深紫外激光源的强烈需求，以及化学反应动力学等基础研究对深紫外相干光源的要求，发展全固态深紫外激光光源是国际激光科学界近期研究的一个热点。目前，虽然同步辐射光源、准分子激光器均可产生深紫外相干光源，但是对上述应用而言，同步辐射的主要问题是不能小型化，而且光束的单色性不好，要获得特定狭带宽波长的效率过低。准分子激光器的主要问题是光束的线宽、模式达不到上述仪器的要求，而且操作十分不便。因此，如何获取光束质量高、线宽窄(即每个光子的能量精度高)的深紫外激光光源是摆在激光科技界面前的一个非常重要的任务。 记者：什么是KBBF晶体？它特殊在什么地方？ 陈创天：从上世纪90年代中后期开始，科学家们把获取200nm以下波长的深紫外相干光源看作是一道壁垒，如何突破这一壁垒在当时是没有把握的。因为，激光基质晶体，由于受到激活离子能级的限制很难直接产生深紫外激光。因此，利用高功率可见、近红外全固态激光为基频光源，通过非线性光学晶体的多级变频技术，是发展全固态深紫外相干光源(简称ASSL-DUV)的最有效途径。由此可见，要发展ASSL-DUV光源，关键问题就是要发展适合于产生深紫外谐波光输出，特别是能使用倍频方法产生深紫外相干光源的非线性光学晶体。 KBBF晶体正是这种新型紫外非线性光学晶体，是目前能使用倍频方法输出最短波长的晶体。它和棱镜耦合技术相结合在国际上首次成功地获得钕离子激光六倍频（177.3纳米）输出，这一光源就是超高分辨率光电子能谱仪的最关键部件。 记者：据了解，棱镜耦合技术是国际上从未有过的？ 陈创天：是的，KBBF晶体并非十全十美的。虽然它具备产生Nd：YAG激光六倍频的能力，但由于其层状习性严重，晶体厚度只有毫米量级、无法按照相位匹配方向切割，不能直接实现六倍频。在这种情况下，我们与中国科学院物理所许祖彦院士的研究人员一起共同创造了这一国际上没有的棱镜耦合技术。此技术已取得了中、美两国的专利权，是用两个棱镜通过光胶耦合在KBBF晶体两面，将光耦合进晶体实现相位匹配，解决了六倍频匹配问题。 记者：这种由KBBF晶体所产生的深紫外光源有哪些应用领域？ 陈创天：这一光源已经发现了很多重要的应用，并已经有了成功的范例。 1） 真空紫外激光超高能量分辨率光电子能谱仪：借助这台激光光电子能谱仪的超高分辨率，我们能够更仔细地了解固体的特性，这将大大促进人们对固体材料中各种奇异电子特性的了解。 2）推动193nm光刻技术的发展：193nm光刻技术是目前大规模集成电路制造业中的主流技术，在这一技术中，要求有两种光源：一种是照明光源，一种是高精度母版制作所需的相干光源。目前由于没有适合的全固态激光光源，因此多数使用电子束光刻技术，但效率低，成本高。如果能够获得100mW的193nm的全固态窄带宽相干光源，将有可能取代电子束用于集成电路母版制作。 3）化学动力学研究：深紫外全固态激光源由于每个光子能量高，线宽窄，从而将在分子的激发光分解、自由基反应，超激发态分子等方面开拓新的研究领域。这一光源比现有的同步辐射、原子灯深紫外光源在能量分辨率、光子流密度、偏振特性等方面有很大的优越性。 4）光电子发射显微镜:使用1773nm的激光源，通过激发固态表面电子并使用磁场对电子路径的控制，并通过光电倍增管成像，将大大提高表面成像的分辨率和对各种图像的物理、化学内涵解释。 以上只是目前能够预见的几个重要应用实例，我们相信，随着全固态深紫外激光光源的发展和技术的成熟，将会有越来越多的应用被发现，从而使这一光源在科学研究和高技术领域发挥越来越大的作用。 记者：从BBO、LBO再如今的KBBF，作为科技创新的领军人，请您结合几十年来的研究工作谈谈感想？ 陈创天：如今的成果，并不是一蹴而就的。一个核心技术从创新到应用是一个曲折漫长的过程。比如我们的一个晶体，从发现到应用一般要10年以上的时间，在美国要花一千万美元，我们要花一千万人民币。这说明了科学核心技术的重大发明创造，不是那么容易的，是长期的科学累积，长期坚苦努力而来的，而且要有好的学风。不弄虚做假