国际首创深紫外全固态激光源

10月27日，中国工程院院士、中科院深紫外固态激光源前沿装备研制项目首席科学家许祖彦（右），在其领衔研发成功国际首创深紫外全固态激光源的实验室与青年科研人员交流。中新社发 孙自法 摄
　　　　
　　　　
　　　　　　中国科学家利用独创、独有的深紫外技术和深紫外激光非线性光学晶体，通过总投资1.8亿元人民币的深紫外固态激光源前沿装备研制项目，已成功研制出深紫外激光拉曼光谱仪、深紫外激光发射电子显微镜等8台深紫外固态激光源前沿装备，均为当今世界所独有的科研利器，居深紫外领域国际领先地位。


关于深紫外线固态激光源的技术，它的应用和开发背景可以看以下这个访谈，是中国科学院院士陈创天说的。KBBF就是深紫外激光非线性光学晶体
　　　　
　　　　记者：据了解，KBBF晶体的发明及应用作为我国具有国际领先水平的自主知识产权的核心技术之一，特别是在光电子能谱仪上的应用，建造成功超高分辨率光电子能谱仪被列为为数不多的“出口管制”技术，不能不说这是我国科学技术的一大进步，让国人扬眉吐气并为之自豪。请您介绍一下相关的情况？
　　　　
　　　　 陈创天：这个是真正具有国际领先的自主知识产权的一个核心技术，是我们国家独有的。使用这个KBBF晶体的棱镜耦合装制，激光通过它时可把波长缩短了一半，从而可产生177.3nm的相干光，并把这一新型激光源装备到光电子能谱仪上。目前深紫外激光超高分辨率光电子能谱仪只有两台，一台在日本也是与我们合作的，一台在科学院物理所。用这个激光源装备的光电子能谱仪，在国际上第一次直接观测到了超导体的超导现象。目前斯坦福大学、美国布鲁克海文国家实验室等国际上很多重要的实验室，都希望用这一光源来建设、更新他们的光电子能谱仪。现在我们中科院为了推动我国自主知识产权的装备研究，决定这个KBBF晶体的棱镜耦合装制，暂时不对美国出售，以保护我们国家先进仪器设备的研制，这也是我国在高技术领域第一次对发达国说NO。目前只有我们这里能加工出这样的器件，并有专利保护,国外标价每个3～5万美元。今年我们能做15个，明年打算做20个，以后批量大约能做到50个。大家都说这是光电子能谱仪的“芯片”，这就好比计算机的“CPU”
　　　　
　　　　 记者：对于上述科学院的决定，您的感受是什么？相关于此的下一步有什么工作计划吗？
　　　　
　　　　 陈创天：科技界高新技术从来都不是花钱可以买来的，买来的都不是最新的、一流的。能做出最高水平成果的仪器，他们是不会给我们的，他们买给我们的基本上是他们已经做完原理性的实验，相对已经落后的仪器。对于前沿科学来说，没有一流的科学仪器就不能拿到一流的科学数据，没有一流的科学数据就做不出一流的科学成果。很多科学技术的原创性成果，没有一流的仪器就做不出来，所以这也是科学院非常强调的，我们要用我们的核心技术来推动一批真正一流科学仪器的发展。我们要证明中国人还是有能力在这方面创新的。
　　　　
　　　　 下一步，我们希望再往更“精”的方向去努力，我们将致力于促进中国的先进仪器制造，特别是科学仪器的制造，如：光发射电子显微镜等。目前我们国家绝大多数的科学仪器都是进口的，真正自已制造的微忽其微，我们希望通过这一核心技术的推广使用，能够改变这一状况。
　　　　
　　　　 记者：深紫外非线性光学晶体KBBF的研究开展的背景是什么？
　　　　
　　　　 陈创天： 随着193nm光刻技术和微、纳米精细激光加工的发展，需要波长更短的激光光源，达到200-150纳米。这就是深紫外也叫真空紫外光源。特别是当前超高能量分辨率光电子能谱仪和光电子发射显微镜等现代化仪器对深紫外激光源的强烈需求，以及化学反应动力学等基础研究对深紫外相干光源的要求，发展全固态深紫外激光光源是国际激光科学界近期研究的一个热点。目前，虽然同步辐射光源、准分子激光器均可产生深紫外相干光源，但是对上述应用而言，同步辐射的主要问题是不能小型化，而且光束的单色性不好，要获得特定狭带宽波长的效率过低。准分子激光器的主要问题是光束的线宽、模式达不到上述仪器的要求，而且操作十分不便。因此，如何获取光束质量高、线宽窄(即每个光子的能量精度高)的深紫外激光光源是摆在激光科技界面前的一个非常重要的任务。
　　　　
　　　　 记者：什么是KBBF晶体？它特殊在什么地方？
　　　　
　　　　 陈创天：从上世纪90年代中后期开始，科学家们把获取200nm以下波长的深紫外相干光源看作是一道壁垒，如何突破这一壁垒在当时是没有把握的。因为，激光基质晶体，由于受到激活离子能级的限制很难直接产生深紫外激光。因此，利用高功率可见、近红外全固态激光为基频光源，通过非线性光学晶体的多级变频技术，是发展全固态深紫外相干光源(简称ASSL-DUV)的最有效途径。由此可见，要发展ASSL-DUV光源，关键问题就是要发展适合于产生深紫外谐波光输出，特别是能使用倍频方法产生深紫外相干光源的非线性光学晶体。
　　　　
　　　　 KBBF晶体正是这种新型紫外非线性光学晶体，是目前能使用倍频方法输出最短波长的晶体。它和棱镜耦合技术相结合在国际上首次成功地获得钕离子激光六倍频（177.3纳米）输出，这一光源就是超高分辨率光电子能谱仪的最关键部件。
　　　　
　　　　 记者：据了解，棱镜耦合技术是国际上从未有过的？
　　　　
　　　　 陈创天：是的，KBBF晶体并非十全十美的。虽然它具备产生Nd：YAG激光六倍频的能力，但由于其层状习性严重，晶体厚度只有毫米量级、无法按照相位匹配方向切割，不能直接实现六倍频。在这种情况下，我们与中国科学院物理所许祖彦院士的研究人员一起共同创造了这一国际上没有的棱镜耦合技术。此技术已取得了中、美两国的专利权，是用两个棱镜通过光胶耦合在KBBF晶体两面，将光耦合进晶体实现相位匹配，解决了六倍频匹配问题。
　　　　
　　　　 记者：这种由KBBF晶体所产生的深紫外光源有哪些应用领域？
　　　　
　　　　 陈创天：这一光源已经发现了很多重要的应用，并已经有了成功的范例。
　　　　
　　　　 1） 真空紫外激光超高能量分辨率光电子能谱仪：借助这台激光光电子能谱仪的超高分辨率，我们能够更仔细地了解固体的特性，这将大大促进人们对固体材料中各种奇异电子特性的了解。
　　　　
　　　　 2）推动193nm光刻技术的发展：193nm光刻技术是目前大规模集成电路制造业中的主流技术，在这一技术中，要求有两种光源：一种是照明光源，一种是高精度母版制作所需的相干光源。目前由于没有适合的全固态激光光源，因此多数使用电子束光刻技术，但效率低，成本高。如果能够获得100mW的193nm的全固态窄带宽相干光源，将有可能取代电子束用于集成电路母版制作。
　　　　
　　　　 3）化学动力学研究：深紫外全固态激光源由于每个光子能量高，线宽窄，从而将在分子的激发光分解、自由基反应，超激发态分子等方面开拓新的研究领域。这一光源比现有的同步辐射、原子灯深紫外光源在能量分辨率、光子流密度、偏振特性等方面有很大的优越性。
　　　　
　　　　 4）光电子发射显微镜:使用177．3nm的激光源，通过激发固态表面电子并使用磁场对电子路径的控制，并通过光电倍增管成像，将大大提高表面成像的分辨率和对各种图像的物理、化学内涵解释。
　　　　
　　　　 以上只是目前能够预见的几个重要应用实例，我们相信，随着全固态深紫外激光光源的发展和技术的成熟，将会有越来越多的应用被发现，从而使这一光源在科学研究和高技术领域发挥越来越大的作用。
　　　　
　　　　 记者：从BBO、LBO再如今的KBBF，作为科技创新的领军人，请您结合几十年来的研究工作谈谈感想？


陈创天：如今的成果，并不是一蹴而就的。一个核心技术从创新到应用是一个曲折漫长的过程。比如我们的一个晶体，从发现到应用一般要10年以上的时间，在美国要花一千万美元，我们要花一千万人民币。这说明了科学核心技术的重大发明创造，不是那么容易的，是长期的科学累积，长期坚苦努力而来的，而且要有好的学风。不弄虚做假，不投机取巧的心态才行。我很反对现在科学界的浮燥、急功进利的现象。对于科研人员要更多的给予鼓励，努力为他们营造一个创新的环境和氛围;对于学生，我要求他们打下坚实的基础，不仅要有理论基础还要有实际工作能力，每次新来的大学生我都要求他们要有一个脱胎换骨的改造，在这里要真刀实枪的干，绝不要混学位的。做研究不能为写文章而写文章，文章只是在解决难题的过程中把所取得的成果总结出来，去与国际同行上交流。
　　　　
　　　　 我认为做为一名科研工作者，首先是要有远大的志向，要想着国家民族，只想着私利是做不好的。科研探索的路上有很多的困难和挫折，没有志向和信念很容易就会退缩了;第二是要有扎实的理论基础;三是要找到正确方向，找到前沿，找到切入点，更重要的是要根据自已的特点去切入，才能创新，才能做出别人做不到的东西。第四是坚持，学风踏实。科学是长期思考下的灵感闪现。做科研工作一定要坚持，没有坚持就没有发现，很多发现都是在尽头无路时才获得的。如果能做到以上几点，就一定能出成绩，至于成绩的大小就要看机遇与天赋了。
这个技术未来最大的发展前景就是光刻机。。。现在荷兰，美国，日本研制的最先进的光刻机EUV极紫外光刻机最大的难点就是需要提供高功率的紫外线光源，如果要批量生产芯片就需要100w的紫外线光源激光器。
　　　　
　　　　euv光刻机比现在普遍用于芯片制造的193nm沉浸式光刻机精度更高，193nm沉浸式光刻机现在使得晶园得工艺能达到22nm左右，而euv可以达到5nm以内甚至更高，突破晶圆加工的物理极限。
　　　　
　　　　“h t t p://bbs。city。tianya。cn/tianyacity/content/333/1/141894。shtml”
10月27日，中国工程院院士、中科院深紫外固态激光源前沿装备研制项目首席科学家许祖彦（右），在其领衔研发成功国际首创深紫外全固态激光源的实验室与青年科研人员交流。中新社发 孙自法 摄
　　　　
　　　　
　　　　　　中国科学家利用独创、独有的深紫外技术和深紫外激光非线性光学晶体，通过总投资1.8亿元人民币的深紫外固态激光源前沿装备研制项目，已成功研制出深紫外激光拉曼光谱仪、深紫外激光发射电子显微镜等8台深紫外固态激光源前沿装备，均为当今世界所独有的科研利器，居深紫外领域国际领先地位。


关于深紫外线固态激光源的技术，它的应用和开发背景可以看以下这个访谈，是中国科学院院士陈创天说的。KBBF就是深紫外激光非线性光学晶体
　　　　
　　　　记者：据了解，KBBF晶体的发明及应用作为我国具有国际领先水平的自主知识产权的核心技术之一，特别是在光电子能谱仪上的应用，建造成功超高分辨率光电子能谱仪被列为为数不多的“出口管制”技术，不能不说这是我国科学技术的一大进步，让国人扬眉吐气并为之自豪。请您介绍一下相关的情况？
　　　　
　　　　 陈创天：这个是真正具有国际领先的自主知识产权的一个核心技术，是我们国家独有的。使用这个KBBF晶体的棱镜耦合装制，激光通过它时可把波长缩短了一半，从而可产生177.3nm的相干光，并把这一新型激光源装备到光电子能谱仪上。目前深紫外激光超高分辨率光电子能谱仪只有两台，一台在日本也是与我们合作的，一台在科学院物理所。用这个激光源装备的光电子能谱仪，在国际上第一次直接观测到了超导体的超导现象。目前斯坦福大学、美国布鲁克海文国家实验室等国际上很多重要的实验室，都希望用这一光源来建设、更新他们的光电子能谱仪。现在我们中科院为了推动我国自主知识产权的装备研究，决定这个KBBF晶体的棱镜耦合装制，暂时不对美国出售，以保护我们国家先进仪器设备的研制，这也是我国在高技术领域第一次对发达国说NO。目前只有我们这里能加工出这样的器件，并有专利保护,国外标价每个3～5万美元。今年我们能做15个，明年打算做20个，以后批量大约能做到50个。大家都说这是光电子能谱仪的“芯片”，这就好比计算机的“CPU”
　　　　
　　　　 记者：对于上述科学院的决定，您的感受是什么？相关于此的下一步有什么工作计划吗？
　　　　
　　　　 陈创天：科技界高新技术从来都不是花钱可以买来的，买来的都不是最新的、一流的。能做出最高水平成果的仪器，他们是不会给我们的，他们买给我们的基本上是他们已经做完原理性的实验，相对已经落后的仪器。对于前沿科学来说，没有一流的科学仪器就不能拿到一流的科学数据，没有一流的科学数据就做不出一流的科学成果。很多科学技术的原创性成果，没有一流的仪器就做不出来，所以这也是科学院非常强调的，我们要用我们的核心技术来推动一批真正一流科学仪器的发展。我们要证明中国人还是有能力在这方面创新的。
　　　　
　　　　 下一步，我们希望再往更“精”的方向去努力，我们将致力于促进中国的先进仪器制造，特别是科学仪器的制造，如：光发射电子显微镜等。目前我们国家绝大多数的科学仪器都是进口的，真正自已制造的微忽其微，我们希望通过这一核心技术的推广使用，能够改变这一状况。
　　　　
　　　　 记者：深紫外非线性光学晶体KBBF的研究开展的背景是什么？
　　　　
　　　　 陈创天： 随着193nm光刻技术和微、纳米精细激光加工的发展，需要波长更短的激光光源，达到200-150纳米。这就是深紫外也叫真空紫外光源。特别是当前超高能量分辨率光电子能谱仪和光电子发射显微镜等现代化仪器对深紫外激光源的强烈需求，以及化学反应动力学等基础研究对深紫外相干光源的要求，发展全固态深紫外激光光源是国际激光科学界近期研究的一个热点。目前，虽然同步辐射光源、准分子激光器均可产生深紫外相干光源，但是对上述应用而言，同步辐射的主要问题是不能小型化，而且光束的单色性不好，要获得特定狭带宽波长的效率过低。准分子激光器的主要问题是光束的线宽、模式达不到上述仪器的要求，而且操作十分不便。因此，如何获取光束质量高、线宽窄(即每个光子的能量精度高)的深紫外激光光源是摆在激光科技界面前的一个非常重要的任务。
　　　　
　　　　 记者：什么是KBBF晶体？它特殊在什么地方？
　　　　
　　　　 陈创天：从上世纪90年代中后期开始，科学家们把获取200nm以下波长的深紫外相干光源看作是一道壁垒，如何突破这一壁垒在当时是没有把握的。因为，激光基质晶体，由于受到激活离子能级的限制很难直接产生深紫外激光。因此，利用高功率可见、近红外全固态激光为基频光源，通过非线性光学晶体的多级变频技术，是发展全固态深紫外相干光源(简称ASSL-DUV)的最有效途径。由此可见，要发展ASSL-DUV光源，关键问题就是要发展适合于产生深紫外谐波光输出，特别是能使用倍频方法产生深紫外相干光源的非线性光学晶体。
　　　　
　　　　 KBBF晶体正是这种新型紫外非线性光学晶体，是目前能使用倍频方法输出最短波长的晶体。它和棱镜耦合技术相结合在国际上首次成功地获得钕离子激光六倍频（177.3纳米）输出，这一光源就是超高分辨率光电子能谱仪的最关键部件。
　　　　
　　　　 记者：据了解，棱镜耦合技术是国际上从未有过的？
　　　　
　　　　 陈创天：是的，KBBF晶体并非十全十美的。虽然它具备产生Nd：YAG激光六倍频的能力，但由于其层状习性严重，晶体厚度只有毫米量级、无法按照相位匹配方向切割，不能直接实现六倍频。在这种情况下，我们与中国科学院物理所许祖彦院士的研究人员一起共同创造了这一国际上没有的棱镜耦合技术。此技术已取得了中、美两国的专利权，是用两个棱镜通过光胶耦合在KBBF晶体两面，将光耦合进晶体实现相位匹配，解决了六倍频匹配问题。
　　　　
　　　　 记者：这种由KBBF晶体所产生的深紫外光源有哪些应用领域？
　　　　
　　　　 陈创天：这一光源已经发现了很多重要的应用，并已经有了成功的范例。
　　　　
　　　　 1） 真空紫外激光超高能量分辨率光电子能谱仪：借助这台激光光电子能谱仪的超高分辨率，我们能够更仔细地了解固体的特性，这将大大促进人们对固体材料中各种奇异电子特性的了解。
　　　　
　　　　 2）推动193nm光刻技术的发展：193nm光刻技术是目前大规模集成电路制造业中的主流技术，在这一技术中，要求有两种光源：一种是照明光源，一种是高精度母版制作所需的相干光源。目前由于没有适合的全固态激光光源，因此多数使用电子束光刻技术，但效率低，成本高。如果能够获得100mW的193nm的全固态窄带宽相干光源，将有可能取代电子束用于集成电路母版制作。
　　　　
　　　　 3）化学动力学研究：深紫外全固态激光源由于每个光子能量高，线宽窄，从而将在分子的激发光分解、自由基反应，超激发态分子等方面开拓新的研究领域。这一光源比现有的同步辐射、原子灯深紫外光源在能量分辨率、光子流密度、偏振特性等方面有很大的优越性。
　　　　
　　　　 4）光电子发射显微镜:使用177．3nm的激光源，通过激发固态表面电子并使用磁场对电子路径的控制，并通过光电倍增管成像，将大大提高表面成像的分辨率和对各种图像的物理、化学内涵解释。
　　　　
　　　　 以上只是目前能够预见的几个重要应用实例，我们相信，随着全固态深紫外激光光源的发展和技术的成熟，将会有越来越多的应用被发现，从而使这一光源在科学研究和高技术领域发挥越来越大的作用。
　　　　
　　　　 记者：从BBO、LBO再如今的KBBF，作为科技创新的领军人，请您结合几十年来的研究工作谈谈感想？


陈创天：如今的成果，并不是一蹴而就的。一个核心技术从创新到应用是一个曲折漫长的过程。比如我们的一个晶体，从发现到应用一般要10年以上的时间，在美国要花一千万美元，我们要花一千万人民币。这说明了科学核心技术的重大发明创造，不是那么容易的，是长期的科学累积，长期坚苦努力而来的，而且要有好的学风。不弄虚做假，不投机取巧的心态才行。我很反对现在科学界的浮燥、急功进利的现象。对于科研人员要更多的给予鼓励，努力为他们营造一个创新的环境和氛围;对于学生，我要求他们打下坚实的基础，不仅要有理论基础还要有实际工作能力，每次新来的大学生我都要求他们要有一个脱胎换骨的改造，在这里要真刀实枪的干，绝不要混学位的。做研究不能为写文章而写文章，文章只是在解决难题的过程中把所取得的成果总结出来，去与国际同行上交流。
　　　　
　　　　 我认为做为一名科研工作者，首先是要有远大的志向，要想着国家民族，只想着私利是做不好的。科研探索的路上有很多的困难和挫折，没有志向和信念很容易就会退缩了;第二是要有扎实的理论基础;三是要找到正确方向，找到前沿，找到切入点，更重要的是要根据自已的特点去切入，才能创新，才能做出别人做不到的东西。第四是坚持，学风踏实。科学是长期思考下的灵感闪现。做科研工作一定要坚持，没有坚持就没有发现，很多发现都是在尽头无路时才获得的。如果能做到以上几点，就一定能出成绩，至于成绩的大小就要看机遇与天赋了。
这个技术未来最大的发展前景就是光刻机。。。现在荷兰，美国，日本研制的最先进的光刻机EUV极紫外光刻机最大的难点就是需要提供高功率的紫外线光源，如果要批量生产芯片就需要100w的紫外线光源激光器。
　　　　
　　　　euv光刻机比现在普遍用于芯片制造的193nm沉浸式光刻机精度更高，193nm沉浸式光刻机现在使得晶园得工艺能达到22nm左右，而euv可以达到5nm以内甚至更高，突破晶圆加工的物理极限。
　　　　
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