文 ｜ 【中國科學報】 記者 倪思潔 見習記者 趙宇彤
從原始社會崇拜和利用光，到現代社會研究與套用光，人類「追光」的歷史貫穿了整個文明發展歷程。
發現日光有7種顏色、發現無線電波可以用來通訊、發現紫外線能夠殺菌、發現X射線和Gamma射線能夠透視物體內部結構……雷射發明後，「追光者」們探索的光的波長，從可見光的400至700多奈米一直縮短至紫外線的300多奈米。
當時間走進20世紀末，人們有了新目標——進軍波長小於200奈米的深紫外光。
與此前所有的光學發展史不同，這次，跑在最前面的「追光者」是中國人。
勇闖「無人區」
深紫外雷射具有波長短、能量分辨率高、光子通量密度大等特點，在雷射光刻、雷射微加工等領域頗具套用價值。一些先進科學儀器也會將其作為「探針」，探明物體內部結構。
長期以來，國際雷射學界普遍認為200奈米是一道難以跨過的坎，誰能邁過去，率先造出實用化、精密化的深紫外雷射源，誰就能搶占深紫外領域制高點。
這一挑戰深深吸引了中國科學家。中國人工晶體專家陳創天早在1990年就註意到氟代硼鈹酸鉀（KBBF）晶體及其光學特性。1996年，他和雷射專家許祖彥利用多波長寬調諧光參量放大器，首次產生出184.7奈米的雷射，為打破200奈米「魔咒」帶來了希望。
2001年，已調入中國科學院理化技術研究所（以下簡稱理化所）工作的陳創天帶領團隊成功生長出實用的KBBF晶體，這是世界上唯一能直接倍頻產生深紫外雷射的非線性光學晶體。
而許祖彥從上世紀80年代末起，就懷著「填補空白」的初心，嘗試研制深紫外雷射器。
於是，陳創天和許祖彥，一位手握晶體技術、一位手握雷射技術，兩人一拍即合，決定聯手闖一闖深紫外的「無人區」。
他們首先要找到有深紫外雷射使用需求的使用者，據此設計並制造相應的深紫外雷射器。為了尋找合作使用者，接下來3年多的時間裏，年逾六十的許祖彥變身「推銷員」，在全國各地十幾個研究機構穿梭遊說，詳細講解深紫外雷射在科學研究中的潛力。
當時，他被問到最多的一個問題是，「這個領域在國外有哪些論文？國際上有沒有類似的事例？」每次，許祖彥都如實地說：「目前全世界還沒有其他人從事這一研究，只有我們發表過文章。」結果，他不出意料地總是無功而返。
正當許祖彥和陳創天一籌莫展時，兩封信件帶來了轉機。
信件來自剛從美國訪學回來的中國科學院物理研究所（以下簡稱物理所）研究員周興江。回來前，周興江在美國史丹佛大學同步放射線實驗室工作，研究高溫超導材料內部的電子狀態。回國後，由於當時國內還沒有適用的同步放射線光源裝置，他一時間找不到合適的科研平台。
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天和許祖彥發表的論文，他們用許祖彥研制的世界首台多波長寬調諧光參量放大器實作了184.7奈米的深紫外全固態雷射。這讓周興江眼前一亮：「我的研究有沒有可能用深紫外雷射器實作呢？」按照論文作者資訊，他給許祖彥和陳創天各發了一封信件，很快就收到回復和邀約。周興江也因此成為第一位合作使用者。
在財政部專項基金及中國科學院儀器裝置研制和改造計畫支持下，經過多方共同努力，這次合作首戰告捷。2006年底，他們以深紫外雷射為光源，研制出國際首台「真空紫外雷射角分辨光電子能譜儀」，並測量出電子的能量和動量。看著電腦上顯示的能譜圖，周興江難掩心中激動：「比第三代同步放射線光源光電子能譜儀的精度還要高！」
有了成功的經驗，陳創天和許祖彥更加堅定了走下去的信心。2007年，財政部和中國科學院共同設立「國家重大科研裝備計畫」試點專項。「深紫外固態雷射源前沿裝備研制」（以下簡稱一期計畫）成為首批啟動的8個試點計畫之一，目標是研制8類實用化、精密化深紫外固態雷射源。計畫由理化所牽頭，許祖彥和陳創天擔任首席科學家。
2009年3月，國際首台納秒深紫外固態雷射源實用化樣機研制成功。左一為許祖彥，左二為一期計畫總指揮詹文山
2013年，一期計畫完成後，深紫外固態雷射源前沿裝備研制（二期）計畫（以下簡稱二期計畫）啟動。許祖彥提出將研究領域從物理、化學、材料拓展至資訊、生命、資環領域，並研制出6套國際領先的深紫外全固態雷射源重大科研裝備，建立起「深紫外晶體—雷射源—前沿裝備—科學研究—產業化」的完整鏈條。
深紫外全固態雷射光發射電子顯微鏡。
攻下實用級KBBF晶體
在深紫外固態雷射源的研制中，KBBF晶體是研制鏈條的起點。
KBBF晶體就像一顆小石子，體積很小，層狀結構極易引起解理，很難長出大而厚的晶體，自然生長下厚度只有0.1公釐。更難的是，KBBF晶體生長不能采用傳統的「晶種法」，只能靠自然生長，即便撒下晶體「種子」，也無法誘導在其上定向聚整合核並生長，反而會在多處自發成核生長，最終收獲一大堆小而薄的碎晶體。
1999年7月，陳創天牽頭組建團隊，理化所研究員王曉洋就是其中的一員大將。他於2004年加入陳創天團隊，負責KBBF晶體生長。
KBBF晶體生長主要采用「爐海戰術」，4個月才能長出一爐，所以他們就安排了一堆爐子，給每個爐子創造不同的晶體生長條件。
每次開爐無異於「開盲盒」，而結果總是不盡如人意。
就在王曉洋極度郁悶之時，2006年下半年，連續兩個周期，有一台爐子很「爭氣」地長出了厚達3公釐的KBBF晶體。「完全滿足實用需求！」王曉洋松了口氣，認為已經解決了晶體生長難題。
可惜，喜悅有多大，失望就有多大。第三個及後面幾個試驗周期，KBBF晶體的良品率急劇下降。王曉洋花了很長時間才找到原因，原來是晶體生長所用原材料的生產廠家換了,此前「兩連勝」的KBBF晶體原料都來自同一個廠家，但第三個周期開始前，廠家突然倒閉，他們不得不更換了新廠家，買到的原料產自不同礦區，所含微量元素也有所不同。
痛定思痛，王曉洋決定從頭制備原料。他們一邊重新生長晶體，一邊摸索出一套原料制備和提純方法。2013年，一期計畫驗收時，他們在國際上首次實作了批次生長大尺寸、高品質KBBF晶體的技術。
一次次技術叠代、效能最佳化讓KBBF晶體的品質越來越高。「到2023年二期計畫結束時，我們完全攻克了KBBF晶體生長工藝難題。」王曉洋說，二期計畫結項時，KBBF晶體的良品率從一期計畫的10%提升到30%。而如今，KBBF晶體的良品率已達60%以上，不但滿足了實用要求，還逐漸走向商業化。
從晶體到雷射器
在開展晶體攻關的同時，雷射器的研制也在進行。早在一期計畫立項之前，許祖彥就已經開始摸索「如何用KBBF晶體制成實用化精密的深紫外雷射源」。
一般來說，當雷射器發射出的雷射以特定匹配角穿過非線性光學晶體時，射出的雷射線會「一分為二」，多出的這束光線的波長會變為原雷射波長的1/2，頻率則提升至兩倍。這被科學家稱為「雷射倍頻技術」。
當時國際上鮮有人涉足波長小於200奈米的固態雷射「深紫外雷射」研究。許祖彥等人做了一個設計，如果能夠用好KBBF晶體，1064奈米雷射經過六倍頻，便可產生波長177.3奈米的深紫外雷射。
要實作這樣的設計目標，首先需要將晶體和棱鏡無縫組裝在一起。
起初，許祖彥和陳創天試著將KBBF晶體按照一定方向「粘」在兩個紫外級石英棱鏡之間，然而，許祖彥找了兩年多，始終沒找到既能將棱鏡和KBBF晶體粘在一起，又能透過深紫外光的光學膠。
既然沒有，那就自己造。團隊另辟蹊徑，發明了光膠專利技術，用一種特殊工藝將KBBF晶體和棱鏡表面打磨得光滑平整，然後利用分子間作用力，直接讓棱鏡和晶體緊緊耦合在一起。憑借這種沒有膠的光膠工藝，他們成功發明了全球第一個KBBF晶體棱鏡耦合裝置，首次實作1064奈米雷射的六倍頻輸出，將全固態雷射波長縮短至177.3奈米。
KBBF族晶體和光膠棱鏡耦合器件。
2005年，相關技術申報了國際專利並被授權。2020年，中國商務部和科技部聯合發文，將「KBBF晶體生長與棱鏡耦合器件加工技術」列入限制出口技術目錄。這成為中國少有的對國外實行技術禁運的高新技術。
2007年，一期計畫立項後，他們繼續探索如何將深紫外棱鏡耦合倍頻器件發展成全固態深紫外雷射源。
理化所研究員張申金是首台皮秒175~210奈米寬調諧深紫外全固態雷射源研制過程的親歷者之一。他記得，2010年，他們度過了一個壓力極大的夏天。
皮秒175~210奈米寬調諧深紫外全固態雷射源屬於國際首創，不僅要實作實用化與精密化的樣機並將其配套到前沿裝備光電子能譜儀上，還要實作每次開機每天執行24小時，至少連續執行約7天的目標。
為滿足光電子能譜儀對波長寬調諧後光束指向的要求，許祖彥和張申金一起討論二倍頻和四倍頻關鍵技術問題與解決方案，最終自主研發了高精度350~420奈米寬調諧反向級聯二倍頻系統和高精度175~210奈米寬調諧深紫外雷射產生、整形及光束指向準自動調控系統，滿足了整機要求。
受益者
在晶體與雷射器技術被逐一攻克的同時，「客製化」的深紫外固態雷射裝置平台越來越多。
周興江對10多年來的持續合作攻關歷程記憶猶新。
2006年，周興江和陳創天、許祖彥初次合作首戰告捷後，他們在一期計畫中繼續合作。一期計畫8台科學儀器裝置，周興江團隊負責了其中兩台半的制備工作。
這其中的「半台」裝置，指的是調整周興江此前合作建設的真空紫外雷射角分辨光電子能譜儀。另外兩台裝置，一台是深紫外雷射自旋分辨角分辨光電子能譜儀，另一台是基於飛行時間能量分析器的深紫外雷射角分辨光電子能譜儀。
一期計畫結束後，周興江盼望能有一台具備極低溫研究環境的深紫外雷射裝備，觀察極低溫條件下超導材料的電子結構，於是又參與了二期計畫。
歷時8年，周興江團隊和陳創天、許祖彥團隊制成國際首台大動量極低溫深紫外雷射光電子能譜儀，不僅創造了0.8開氏度的極低溫紀錄，還將光子能量提升到7.4電子伏特。至此，科研人員終於能精準「看清」超導材料的微觀電子結構，探索超導、拓撲等先進量子材料奇特物性的起源了。
2013年9月，研究人員操作基於飛行時間能量分析器的深紫外雷射角分辨光電子能譜儀。
從2004年合作至今，作為中國紫外固態雷射裝備研制的見證者和參與者，周興江收獲頗豐。2013年，他因以深紫外全固態雷射前沿裝置為平台做出的重要研究成果，榮獲全球華人物理學會亞洲成就獎。今年，他又基於大動量極低溫深紫外雷射角分辨光電子能譜儀，揭示了鐵基超導配對機理中的關鍵資訊，引發國際關註。
深紫外固態雷射裝置的受益者，還有中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大化所）。深紫外一期計畫期間，理化所為大化所客製的深紫外雷射源使其發現了石墨烯對催化反應的調控作用、石墨烯對鉑金催化表面反應有限體增強效應等不少新現象。
除了周興江團隊、大化所團隊外，理化所還與中國科學院精密測量科學與技術創新研究院團隊合作，用特別客製的深紫外雷射研制鋁離子光頻標；與中國科學院化學研究所團隊合作，研制出高靈敏度深紫外/紅外離子化檢測質譜光譜儀；與中國科學院半導體研究所團隊合作，研制出深紫外雷射調變反射光譜儀。
從2007年一期計畫開始，到2023年二期計畫驗收，中國科學家自主研制成功16種20台深紫外固態雷射源前沿科研儀器，覆蓋材料、物理、化學、生命、資訊、資環六大領域。
2013年9月，研究人員在操作深紫外雷射光化學反應儀。理化所供圖
向遠而行
經過兩期計畫15年的探索，中國深紫外科研儀器裝置已經初步形成「深紫外晶體—雷射源—前沿裝備—科學研究—產業化」的自主創新鏈條。
「過去，中國所有大型科研儀器裝置都得從國外進口。如今在深紫外全固態雷射源領域，我們可以獨立自主研發大型科研儀器裝置了，這極大增強了中國科研人員的信心。」許祖彥說。
一期計畫結題驗收會上，許祖彥曾在技術總結報告中說：「深紫外雷射大型科學裝置是國際首創。我們用事實證明了中國人有可能、有能力自主創新開發大型科學裝置，我們今天突破了！」
時至今日，科學家們探索的腳步並未停止。他們下一階段的目標之一是推進深紫外固態雷射裝置產業化，研制出更多品種的、包括連續出光的雷射器在內的深紫外雷射源。
在套用方面，現已84歲的許祖彥有一個心願——用深紫外全固態雷射裝備，把國際長度計量基準固定下來。隨著制造業的發展，測量精度的要求也在不斷提高。早在19世紀初，物理學家就提出以可見波長作為長度基準的設想。許祖彥希望二期計畫中的鋁離子光頻標裝置，能夠利用精準深紫外雷射，助力中國「做出中國自己的標準長度，領跑世界」。
如今，深紫外雷射這塊處女地已經繁花似錦。面對無限的套用可能，許祖彥反復說：「大型科學儀器的突破絕不可能是一個人努力的結果，而是國家、中國科學院、各科研機構共同協作的成果，是集體智慧的結晶。無論未來怎樣發展，這一點不會變。」
