深紫外固態(tài)激光源系列前沿裝備項目日前通過驗收，這標志著我國成為世界上唯一能夠制造實用化深紫外全固態(tài)激光器的國家。這個由中國科學院承擔的國家重大科研裝備研制項目是如何完成的？新研發(fā)出來的這些裝備又能承擔什么樣的科研任務？請看本報記者發(fā)回的報道。
從源頭開始的創(chuàng)新
深紫外固態(tài)激光源系列前沿裝備項目的成果很多，包括深紫外非線性光學晶體與器件平臺、深紫外全固態(tài)激光源平臺，以及基于這兩個平臺研制的8臺新型深紫外激光科研裝備。項目首席科學家陳創(chuàng)天、許祖彥都認為，深紫外項目的研制成功，得益于從源頭開始的創(chuàng)新。
從2008年3月在財政部專項資金的支持下設立這個項目，到今年9月通過驗收，只有短短5年多時間。然而，如果從源頭創(chuàng)新開始計算，已經(jīng)過去數(shù)十年的光陰。
上世紀90年代初，中科院院士陳創(chuàng)天的研究團隊經(jīng)過10余年努力，在國際上首先生長出大尺寸氟硼鈹酸鉀（KBBF）晶體。
“長期以來，深紫外波段缺乏實用化、精密化激光源，制約了科研裝備和前沿研究的發(fā)展。而KBBF晶體是目前唯一可直接倍頻產(chǎn)生深紫外激光的非線性光學晶體。”深紫外項目工程總體部總經(jīng)理、中科院理化所研究員詹文山說。
之后，陳創(chuàng)天與激光技術(shù)專家、中國工程院院士許祖彥合作，開始摸索如何將KBBF制成激光源。
“KBBF晶體是層狀結(jié)構(gòu)，難以切割，而要做到深紫外倍頻又必須切割。”許祖彥說，由于晶體特殊，又非常薄，他們一開始失敗了很多次，都沒能做出可以產(chǎn)生200納米內(nèi)深紫外激光的激光源器件。“后來我們把晶體用棱鏡夾起來，采用分子接觸的光膠技術(shù)，終于解決了這個難題。”
這個關(guān)鍵的使用器件——KBBF晶體棱鏡耦合裝置發(fā)明成功后，在國際上首次將全固態(tài)激光波長縮短至177.3納米，獲得中、美、日專利，使我國成為世界上唯一能夠研制實用化、精密化深紫外全固態(tài)激光光源（DUV－DPL）的國家。
作為光電子能譜儀的“心臟”，DUV-DPL相當于計算機的CPU。它效率高，體積小，以它為核心的系列裝備，是目前空間、時間及能量分辨率最高的桌面分析儀器，在物理、化學、材料、信息、生命、環(huán)保、地質(zhì)等學科領(lǐng)域均有重大應用價值。
由用戶訂制的裝備
深紫外項目有一個很有趣的特點——在項目通過驗收之前，研究者們通過8臺成品儀器，已經(jīng)在石墨烯、高溫超導、拓撲絕緣體、寬禁帶半導體和催化劑等的研究中做出不少重要成果。這是因為在項目推進過程中，儀器制備與用戶需求結(jié)合緊密。 “晶體、激光器、科研儀器，一環(huán)配一環(huán)，這是一條創(chuàng)新鏈。”項目伊始，許祖彥花了一年多時間，跑了二三十個實驗室，推介DUV－DPL，同時了解科研人員的需求。“我的工作相當于排球二傳手，要跟上游討論晶體該長成什么樣，要向下游詢問他們需要什么樣的激光。”
在與上下游的對接中，KBBF晶體及光接觸棱鏡耦合器件（PCT）研制取得重大突破：獲得了KBBF晶體厚度最大達3毫米的PCT器件；在國際上利用單片KBBF晶體首次實現(xiàn)了擴展到深紫外的170至232納米寬調(diào)諧飛秒激光輸出；研制出41件KBBF-PCT器件。
晶體按用戶需求生長，激光器按用戶需求制備，儀器則更進一步，直接由用戶制備。
中科院物理所研究員周興江就領(lǐng)導了8臺儀器中自旋分辨角分辨光電子能譜儀、飛行時間角分辨光電子能譜儀、角分辨光電子能譜儀這3臺深紫外激光儀器的制作，同時利用這些儀器開展了對鐵基超導、拓撲絕緣體等前沿課題的研究，并因此獲得了2013年度華人物理學會亞洲成就獎。
“三臺儀器都是我們自己根據(jù)實驗需求設計并組裝，信號強、分辨率高。例如深紫外自旋分辨角分辨光電子能譜儀就將對電子能量的測量精度從過去的70-100mev大幅度提升到2.5mev。”周興江說，“我們正在申請專利。”
四個研究所、八個研究組、七十多位科技人員，用五年時間，花費1.8億元，在國際上首次研制成功8類8臺實用化、精密化的深紫外全固態(tài)激光光源儀器，性能指標均達到計劃任務書的要求，其中輸出功率及其穩(wěn)定性關(guān)鍵指標還超過了計劃任務書的要求。
自主創(chuàng)新鏈的樣本
深紫外項目不僅在科研上取得世界領(lǐng)先的成績，在項目管理和產(chǎn)業(yè)化中也積累了諸多有益經(jīng)驗。
“我們設置了‘工程監(jiān)理’，這是我國科研項目中首次使用‘工程監(jiān)理’制度。”工程總體部總經(jīng)理詹文山介紹，項目在組織和運行管理體制方面進行了大量探索和創(chuàng)新，體制上的創(chuàng)新也給技術(shù)上的創(chuàng)新帶來更好的保障。
例如，深紫外項目采取變更管理模式，項目設立之初制定的技術(shù)目標，根據(jù)國際相關(guān)技術(shù)進步，可以在項目實施過程中適時加以調(diào)整，以確保裝備研制的國際領(lǐng)先水平。“項目計劃研制7臺儀器，后來改為8臺儀器，這是因為項目開始一段時間后，國際上出現(xiàn)了時間飛行能量分析器的新技術(shù)，我們據(jù)此增加了一臺飛行時間能量分析深紫外激光光電子能譜儀。此外，深紫外光致發(fā)光譜儀的激光源，也由皮秒變更為飛秒光源，大幅度提升了儀器的時間分辨能力。”詹文山說。中科院院長白春禮高度評價這個項目：“項目的順利實施，打造了‘晶體—光源—裝備—科研—產(chǎn)業(yè)化’自主創(chuàng)新鏈，涵蓋了從原創(chuàng)科學思想的提出到應用成果的實現(xiàn)這一完整的科學價值鏈，為學科交叉面廣、跨度大、探索性和工程性很強的原創(chuàng)性重大科研裝備創(chuàng)新積累了經(jīng)驗，也為中科院各業(yè)務管理單元合理分工、深度融合、協(xié)力創(chuàng)新提供了典型樣本。”
在一期任務順利完成的基礎上，去年中科院理化所聯(lián)合北京中科科儀等單位，在科技部支持下啟動了深紫外儀器設備產(chǎn)業(yè)化開發(fā)工作，逐步將研制成功的深紫外儀器設備推向市場。目前2毫米以下的KBBF晶體已可小批量生產(chǎn)，滿足國內(nèi)市場需求。8臺科研儀器中，深紫外激光光發(fā)射電子顯微鏡（PEEM）正在逐步進行產(chǎn)業(yè)化嘗試。
“未來走產(chǎn)業(yè)化道路，要賣成品儀器，不能賣激光源器件。”周興江說，“前者的利潤比后者高得多。”
“我們還將研制更多的深紫外波段儀器。”許祖彥表示，項目二期將從物理、化學、材料拓展到信息、資環(huán)、生命等領(lǐng)域，再研制6臺國際領(lǐng)先水平的深紫外激光儀器設備。
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