從原始社會(huì)崇拜和利用光,到現(xiàn)代社會(huì)研究與應(yīng)用光,人類“追光”的歷史貫穿了整個(gè)文明發(fā)展歷程。
發(fā)現(xiàn)日光有7種顏色、發(fā)現(xiàn)無線電波可以用來通信、發(fā)現(xiàn)紫外線能夠殺菌、發(fā)現(xiàn)X射線和伽馬射線能夠透視物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)……激光發(fā)明后,“追光者”們探索的光的波長(zhǎng),從可見光的400至700多納米一直縮短至紫外線的300多納米。
當(dāng)時(shí)間走進(jìn)20世紀(jì)末,人們有了新目標(biāo)——進(jìn)軍波長(zhǎng)小于200納米的深紫外光。
與此前所有的光學(xué)發(fā)展史不同,這次,跑在最前面的“追光者”是中國人。
1、勇闖“無人區(qū)”
深紫外激光具有波長(zhǎng)短、能量分辨率高、光子通量密度大等特點(diǎn),在激光光刻、激光微加工等領(lǐng)域頗具應(yīng)用價(jià)值。一些先進(jìn)科學(xué)儀器也會(huì)將其作為“探針”,探明物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
長(zhǎng)期以來,國際激光學(xué)界普遍認(rèn)為200納米是一道難以跨過的坎,誰能邁過去,率先造出實(shí)用化、精密化的深紫外激光源,誰就能搶占深紫外領(lǐng)域制高點(diǎn)。
這一挑戰(zhàn)深深吸引了中國科學(xué)家。我國人工晶體專家陳創(chuàng)天早在1990年就注意到氟代硼鈹酸鉀(KBBF)晶體及其光學(xué)特性。1996年,他和激光專家許祖彥利用多波長(zhǎng)寬調(diào)諧光參量放大器,首次產(chǎn)生出184.7納米的激光,為打破200納米“魔咒”帶來了希望。
2001年,已調(diào)入中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所(以下簡(jiǎn)稱理化所)工作的陳創(chuàng)天帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功生長(zhǎng)出實(shí)用的KBBF晶體,這是世界上唯一能直接倍頻產(chǎn)生深紫外激光的非線性光學(xué)晶體。
而許祖彥從上世紀(jì)80年代末起,就懷著“填補(bǔ)空白”的初心,嘗試研制深紫外激光器。
于是,陳創(chuàng)天和許祖彥,一位手握晶體技術(shù)、一位手握激光技術(shù),兩人一拍即合,決定聯(lián)手闖一闖深紫外的“無人區(qū)”。
他們首先要找到有深紫外激光使用需求的用戶,據(jù)此設(shè)計(jì)并制造相應(yīng)的深紫外激光器。為了尋找合作用戶,接下來3年多的時(shí)間里,年逾六十的許祖彥變身“推銷員”,在全國各地十幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)穿梭游說,詳細(xì)講解深紫外激光在科學(xué)研究中的潛力。
當(dāng)時(shí),他被問到最多的一個(gè)問題是,“這個(gè)領(lǐng)域在國外有哪些論文?國際上有沒有類似的事例?”每次,許祖彥都如實(shí)地說:“目前全世界還沒有其他人從事這一研究,只有我們發(fā)表過文章?!苯Y(jié)果,他不出意料地總是無功而返。
正當(dāng)許祖彥和陳創(chuàng)天一籌莫展時(shí),兩封郵件帶來了轉(zhuǎn)機(jī)。
郵件來自剛從美國訪學(xué)回來的中國科學(xué)院物理研究所(以下簡(jiǎn)稱物理所)研究員周興江。回來前,周興江在美國斯坦福大學(xué)同步輻射實(shí)驗(yàn)室工作,研究高溫超導(dǎo)材料內(nèi)部的電子狀態(tài)。回國后,由于當(dāng)時(shí)國內(nèi)還沒有適用的同步輻射光源裝置,他一時(shí)間找不到合適的科研平臺(tái)。
2004年5月的一天,周興江無意中在一本國際刊物上看到陳創(chuàng)天和許祖彥發(fā)表的論文,他們用許祖彥研制的世界首臺(tái)多波長(zhǎng)寬調(diào)諧光參量放大器實(shí)現(xiàn)了184.7納米的深紫外全固態(tài)激光。這讓周興江眼前一亮:“我的研究有沒有可能用深紫外激光器實(shí)現(xiàn)呢?”按照論文作者信息,他給許祖彥和陳創(chuàng)天各發(fā)了一封郵件,很快就收到回復(fù)和邀約。周興江也因此成為第一位合作用戶。
在財(cái)政部專項(xiàng)基金及中國科學(xué)院儀器設(shè)備研制和改造項(xiàng)目支持下,經(jīng)過多方共同努力,這次合作首戰(zhàn)告捷。2006年底,他們以深紫外激光為光源,研制出國際首臺(tái)“真空紫外激光角分辨光電子能譜儀”,并測(cè)量出電子的能量和動(dòng)量??粗娔X上顯示的能譜圖,周興江難掩心中激動(dòng):“比第三代同步輻射光源光電子能譜儀的精度還要高!”
有了成功的經(jīng)驗(yàn),陳創(chuàng)天和許祖彥更加堅(jiān)定了走下去的信心。2007年,財(cái)政部和中國科學(xué)院共同設(shè)立“國家重大科研裝備項(xiàng)目”試點(diǎn)專項(xiàng)?!吧钭贤夤虘B(tài)激光源前沿裝備研制”(以下簡(jiǎn)稱一期項(xiàng)目)成為首批啟動(dòng)的8個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目之一,目標(biāo)是研制8類實(shí)用化、精密化深紫外固態(tài)激光源。項(xiàng)目由理化所牽頭,許祖彥和陳創(chuàng)天擔(dān)任首席科學(xué)家。
2009年3月,國際首臺(tái)納秒深紫外固態(tài)激光源實(shí)用化樣機(jī)研制成功。左一為許祖彥,左二為一期項(xiàng)目總指揮詹文山。