探索深紫外的神秘世界

深紫外光，是指波长短于200 nm（纳米）的光波，属于不可见光，光子能量大，是深紫外前沿研究的核心光源，过去主要依靠同步辐射和气体放电等非相干光源，但这些光源的精密化、实用化程度低（能量分辨率低、光子通量小、光子流密度低及运转模式单一等）。多年以来，激光界一直将200nm形容为全固态激光的一堵“墙”， 谁突破了这堵墙，谁就可能掌握精密化、实用化深紫外全固态激光探测手段，占领深紫外前沿研究领域的制高点。

在自然界，有一半以上的材料，至今人们难以判断其精细特征，因这些材料只能在深紫外波段才能吸收光子，对其打入深紫外激光令其发生定向变化，就可以知道这些材料详细或精确的性能;深紫外全固态激光入射到凝聚态物质后可以打出电子，根据爱因斯坦外光电效应，就可以探测到物质精细的微观电子状态（能量、动量和自旋），从而可以解读材料的宏观物理特性。拥有了深紫外全固态激光，就能够发展出能观测电子行为的“高倍显微镜”，在它的帮助下，科学家们可将世界看得更清晰：看到之前看不到的现象，看清之前看不清的世界，由此探索世界的新问题，发现新现象，获得新数据。

深紫外全固态激光如何产生？

全固态激光器要产生深紫外激光，关键是找到合适的非线性光学晶体。经过10余年努力，中科院在国际上率先生长出大尺寸KBBF（氟硼铍酸钾）晶体，是目前唯一可倍频产生深紫外激光的非线性光学晶体。大尺寸深紫外非线性光学KBBF晶体生长成功以后，如何将其研制成精密化、实用化激光源，则成为一个棘手的问题。许祖彦院士研究组与陈创天院士研究组合作，发明出KBBF晶体的棱镜耦合技术（已获中、日、美专利），即无需按照匹配角斜切割晶体，即可实现深紫外全固态激光倍频输出。KBBF棱镜耦合器件在国际上首次实现了1064nm激光的6倍频输出，将全固态激光波长缩短至177.3nm，首次将深紫外激光技术实用化、精密化。

KBBF晶体是如何发挥作用的呢？在实验室内，你可以看到，在一米二长、一米宽的光学实验平台上，放置着一台深紫外（177.3 nm）全固态激光源（见图），分三部分：一部分为泵浦源系统A（包括基频、二倍频和三倍频激光系统），二部分为六倍频系统B，为深紫外全固态激光产生系统，三部分为深紫外全固态激光整形输出系统C。空气中的水、氧气及有机物等对深紫外激光有强烈的吸收，因此深紫外激光的产生及整形需要在真空腔内的高真空或高纯氮气/氦气环境下。

研究团队在此前的基础上，最终研发出精密化、实用化的系列深紫外全固态激光源，具有光子能量高、光谱分辨率高、光子流密度大、可低重频至高重频及纳秒、皮秒和飞秒多种方式运转等特点，非常利于开发深紫外固态激光源前沿装备，在前沿科研中观测新现象、获取新数据，因此深紫外激光技术与前沿装备的研发在物理、材料、化学、信息、生命、资环六大学科领域都有重大的应用前景。

独步世界的深紫外固态激光源前沿装备

为了自主发展我国前沿科研装备，中国科学院暂时禁止深紫外全固态激光相关技术出口。为开创深紫外领域科学技术发展的新局面，2007年，在财政部和中科院的支持下，设立了深紫外固态激光源前沿装备研制项目，并制订了创新的组织管理模式。该项目于2013年9月通过验收，全面完成了研制任务，达到了预期目标：我国成为世界上唯一能够制造实用化深紫外全固态激光源的国家，并研发成功9种系列化新型深紫外固态激光源前沿装备，对学科交叉面广、跨度大、探索性和工程性均很强的原创性重大科研装备自主创新积累了丰富经验。9种国际首创的深紫外固态激光源前沿装备分别为：深紫外激光高能量分辨角分辨光电子能谱仪、深紫外激光自旋分辨角分辨光电子能谱仪、光子能量可调深紫外激光光电子能谱仪、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、深紫外激光光发射电子显微镜、深紫外激光拉曼光谱仪、深紫外激光光致发光光谱仪、深紫外激光光化学反应仪及深紫外激光原位时间分辨隧道电子谱仪。

我国自主研制的9种深紫外固态激光源前沿装备，属全球首创，为物理、材料、化学学科领域研究提供全新的探索手段，能将微观世界看得更清晰，已经在高温超导、催化反应、石墨烯、拓扑绝缘体和超宽禁带半导体等一系列重大前沿科学研究领域中获得了重要结果，已有近百篇论文发表于Nature及子刊等国际顶级科学期刊，不断推动相关科学仪器行业的科技进步，有望创建新的科技前沿，使我国科学家在深紫外前沿探索中占据主动。例如，通过外光电效应，观测凝聚态物质内电子的能量、动量、自旋三种基本参数来探索物性的光电子能谱仪，大大提高了观测电子能级的清晰度，主要技术指标都成量级提高，在铜氧化物高温超导体中，直接看清了费米能级是口袋形的，为建立高温超导理论提供了重要信息;首次看清了Sr2IrO4的高能奇异电子能带为瀑布型结构，有助于在Ir氧化物中探索新型高温超导材料;过去看不到的电子自旋结构现在可以看到了：首次看到Au（111）表面态存在自旋劈裂，并发现拓扑绝缘体Bi2Se3的自旋结构和轨道结构是固定在一起的，等等。

在科技部支持下，中科院已启动了深紫外全固态激光源及其前沿装备产业化的研发工作，逐步将其推向市场;并在财政部及中科院支持和领导下启动了深紫外固态激光源前沿装备研制二期工作，开展6种国际创新水平前沿装备的研制工作，从物理、材料、化学领域拓展到信息、资环、生命领域，继续推动深紫外技术的深度开发。

团队介绍：

中国科学院陈创天院士团队和许祖彦院士团队长期从事非线性光学晶体生长和固体激光研究，积十余年的探索，在深紫外非线性光学晶体、激光光源及应用研究领域取得重大突破，在国际上首次生长出大尺寸深紫外非线性光学晶体KBBF，率先发展出倍频产生深紫外全固态激光的先进技术，创建了KBBF族晶体生长、器件制备平台与深紫外全固态激光源研发平台，成功研制了9种深紫外全固态激光源，并与院内多个单位合作，成功研发了9种新型深紫外固态激光源前沿装备，打造了深紫外“晶体-光源-装备-科研-产业化”自主创新链，使我国成为世界上唯一能够制造实用化深紫外全固态激光源的国家，开创了深紫外领域科学技术发展的新局面，使我国在该领域的研究处于国际领先地位，是自主研发高精尖仪器的成功范例，推动了我国大型科学仪器研制的发展。