从原始社会崇拜和利用光,到现代社会研究与应用光,人类“追光”的历史贯穿了整个文明发展历程。
发现日光有7种颜色、发现无线电波可以用来通信、发现紫外线能够杀菌、发现X射线和伽马射线能够透视物体内部结构……激光发明后,“追光者”们探索的光的波长,从可见光的400至700多纳米一直缩短至紫外线的300多纳米。
当时间走进20世纪末,人们有了新目标——进军波长小于200纳米的深紫外光。
与此前所有的光学发展史不同,这次,跑在最前面的“追光者”是中国人。
1、勇闯“无人区”
深紫外激光具有波长短、能量分辨率高、光子通量密度大等特点,在激光光刻、激光微加工等领域颇具应用价值。一些先进科学仪器也会将其作为“探针”,探明物体内部结构。
长期以来,国际激光学界普遍认为200纳米是一道难以跨过的坎,谁能迈过去,率先造出实用化、精密化的深紫外激光源,谁就能抢占深紫外领域制高点。
这一挑战深深吸引了中国科学家。我国人工晶体专家陈创天早在1990年就注意到氟代硼铍酸钾(KBBF)晶体及其光学特性。1996年,他和激光专家许祖彦利用多波长宽调谐光参量放大器,首次产生出184.7纳米的激光,为打破200纳米“魔咒”带来了希望。
2001年,已调入中国科学院理化技术研究所(以下简称理化所)工作的陈创天带领团队成功生长出实用的KBBF晶体,这是世界上唯一能直接倍频产生深紫外激光的非线性光学晶体。
而许祖彦从上世纪80年代末起,就怀着“填补空白”的初心,尝试研制深紫外激光器。
于是,陈创天和许祖彦,一位手握晶体技术、一位手握激光技术,两人一拍即合,决定联手闯一闯深紫外的“无人区”。
他们首先要找到有深紫外激光使用需求的用户,据此设计并制造相应的深紫外激光器。为了寻找合作用户,接下来3年多的时间里,年逾六十的许祖彦变身“推销员”,在全国各地十几个研究机构穿梭游说,详细讲解深紫外激光在科学研究中的潜力。
当时,他被问到最多的一个问题是,“这个领域在国外有哪些论文?国际上有没有类似的事例?”每次,许祖彦都如实地说:“目前全世界还没有其他人从事这一研究,只有我们发表过文章。”结果,他不出意料地总是无功而返。
正当许祖彦和陈创天一筹莫展时,两封邮件带来了转机。
邮件来自刚从美国访学回来的中国科学院物理研究所(以下简称物理所)研究员周兴江。回来前,周兴江在美国斯坦福大学同步辐射实验室工作,研究高温超导材料内部的电子状态。回国后,由于当时国内还没有适用的同步辐射光源装置,他一时间找不到合适的科研平台。
2004年5月的一天,周兴江无意中在一本国际刊物上看到陈创天和许祖彦发表的论文,他们用许祖彦研制的世界首台多波长宽调谐光参量放大器实现了184.7纳米的深紫外全固态激光。这让周兴江眼前一亮:“我的研究有没有可能用深紫外激光器实现呢?”按照论文作者信息,他给许祖彦和陈创天各发了一封邮件,很快就收到回复和邀约。周兴江也因此成为第一位合作用户。
在财政部专项基金及中国科学院仪器设备研制和改造项目支持下,经过多方共同努力,这次合作首战告捷。2006年底,他们以深紫外激光为光源,研制出国际首台“真空紫外激光角分辨光电子能谱仪”,并测量出电子的能量和动量。看着电脑上显示的能谱图,周兴江难掩心中激动:“比第三代同步辐射光源光电子能谱仪的精度还要高!”
有了成功的经验,陈创天和许祖彦更加坚定了走下去的信心。2007年,财政部和中国科学院共同设立“国家重大科研装备项目”试点专项。“深紫外固态激光源前沿装备研制”(以下简称一期项目)成为首批启动的8个试点项目之一,目标是研制8类实用化、精密化深紫外固态激光源。项目由理化所牵头,许祖彦和陈创天担任首席科学家。
2009年3月,国际首台纳秒深紫外固态激光源实用化样机研制成功。左一为许祖彦,左二为一期项目总指挥詹文山。