深紫外全固态激光源(DUV-DPL)指输出波长在200nm以下的固体激光器(DPL),与同步辐射和气体放电光源等现有光源相比具有高的光子流通量/密度,好的方向性和相干性。长期以来,深紫外波段(波长小于200 nm)一直缺乏实用化、精密化激光源,制约了深紫外波段科学仪器和前沿研究的发展。
中国科学院自上世纪90年代初开始研究深紫外非线性光学晶体和激光技术,经过二十多年的努力,在国际上首次生长出可直接倍频产生深紫外(DUV)激光的非线性光学晶体KBBF。在此基础上发明了棱镜耦合技术(KBBF-PCT),率先发展出实用化的深紫外固态激光源,使我国成为世界上唯一掌握深紫外全固态激光技术的国家。深紫外技术与装备的发展在物理、化学、材料、信息、生命、资环、地质等学科领域均有重大的应用价值,光源的研制成功引起了国内外广泛关注,包括美国、日本等国家的许多研究机构纷纷向中科院提出购买或合作要求。
为了发展我国自主科学仪器设备,开创深紫外领域科学技术发展的新局面,在财政部专项资金的支持下,中科院暂时禁止相关技术国外出口,设立了深紫外固态激光源前沿装备研制项目,联合院内外相关技术力量,设计了从“材料-器件-装备-科学研究”完整研发体系,以充分利用我国独创的深紫外技术,突破系列重大仪器设备的研制,开创新的研究领域,占领深紫外领域国际领先地位。
该项目自2008年启动实施以来,财政部和中科院在项目组织管理体制和运行管理体制方面进行了大量有益的探索和创新。在立项方面,发挥中科院多学科优势和建制化的组织优势,加强了顶层设计和统筹规划,大力推动产学研用的有机结合;在预算方面,取消以课题为单元的预算分配模式,采取按项目整体需求分年度配置资源的方式,强化了内部预算的完整性;在经费使用方面,实行项目单位统一支配,统一监管,加强了项目资源的内部统筹能力;在组织实施方面,汇集和调动国内外多家科研院所和企业的优势力量,打破学科、院所界限,统筹协调各类技术资源,协调攻关。在内部管理机制上,推行了研究所法人责任制和项目监理制,强化项目的优势集成和过程管理。项目的实施,为我国重大科学仪器设备创新组织管理积累了有益的经验。
经过四年的努力,项目进展顺利,已完成当初确定的任务目标。研制成功了深紫外拉曼光谱仪、深紫外光电子发射显微镜、深紫外激光光化学反应仪、深紫外激光光致发光光谱仪、深紫外激光自旋分辨角分辨光电子能谱仪、深紫外激光原位时空分辨隧道电子谱仪、基于飞行时间能量分析器的深紫外激光角分辨光电子能谱仪7台国际领先水平的仪器设备。另外一台光子能量可调深紫外激光光电子能谱仪研制工作也已基本完成,正在调试之中。搭建了深紫外非线性晶体和器件研制平台、深紫外固态激光器研发平台和深紫外应用仪器开发平台,核心器件深紫外晶体(KBBF)及器件实现了小批量生产,为仪器设备后续发展,尤其是产业化工作奠定了基础。
目前,研制成功的仪器设备已迅速投入的应用当中,多台仪器设备已初步用于前沿科学研究。利用光电子发射显微镜开展了石墨烯/Ru(0001)表面的动态研究,石墨烯外延生长的原位研究,石墨烯/金属表面上的插层机制,石墨烯/金属界面上的催化反应研究。利用自旋角分辨光电子能谱仪对Au(111)表面态的自旋极化测量,在国际上第一次清晰分辨出两个峰。利用深紫外激光拉曼光谱仪对Scolecite、Heulandite、AlPO-5、MgAPO-5 and SAPO-5催化材料,C15F32聚合物进行了深紫外拉曼光谱研究。利用深紫外激光光致发光光谱仪研究了AlN、AlGaN/sapphire、AlGaN/Si、ZnO等样品的稳态光谱和时间分辨光谱。利用深紫外激光光化学反应仪开展了一系列蒽衍生物二聚体的光解反应,对设计合成的光刻胶新化合物和新配方进行性能测试,筛选适用于32 nm或更高分辨率光刻的光刻胶主体材料。利用深紫外激光原位时间分辨隧道电子谱仪观察到了深紫外光引起的光电流,及样品偏压对光电流的影响,在低温下实现了分子(MgP)的蒸镀,并通过高分辨扫描观测到了MgP分子的不同形貌结构,并且在相邻的两个分子间观测到了形貌交互变化的现象。深紫外仪器设备刚刚开始应用于科学研究就已经表现出优异的性能。
在圆满完成一期任务的基础上,继续推进深紫外激光装备的发展。
1、相对成熟具有市场前景的装备逐步推向产业化
2012年,中科院在前期工作的基础上,获得了科技部国家重大科学仪器设备开发专项的支持。项目旨在围绕物理、化学、材料、信息等领域前沿研究对深紫外科研装备的迫切需求,充分利用我国独有的可倍频产生深紫外激光的KBBF非线性光学晶体及其实用化的棱镜耦合使用技术,开展深紫外激光光发射电子显微镜工程化研究,为我国深紫外领域的相关前沿研究提供有力支撑。
2、研发新型前沿装备,从物理、化学、材料领域向信息、生命资环领域拓展。
完成一期任务后,中科院又经过三年多的调研、研讨,共召开14次六大学科综合研讨会,继续发展具有自主知识产权的DUV非线性光学晶体、器件和DUV-DPL,深紫外全固态激光源重大科研装备的研制从物理、化学、材料领域扩展到生命、信息、资环领域。2012年,中科院继续得到财政部的支持,获得深紫外固态激光源前沿装备研制(二期)项目,继续创建深紫外领域的“材料器件-激光光源-尖端装备-科技应用”完整的创新价值链,持续引领DUV科学仪器的发展,保持和发展我国的国际领先地位,推动六大学科前沿研究的发展。
相关成果报道:
我国自主研发成功世界唯一实用化深紫外固态激光源前沿装备
深紫外固态激光源装备,波长更短、性能更高、成本更低
我国深紫外固态激光源取得突破
深紫外固态激光源装备通过验收
实用化深紫外全固态激光器唯我独有
世界唯一实用化深紫外固态激光源系列装备研发成功
中国深紫外固态激光源前沿装备研发“独步天下”
我成为全球惟一能制造深紫外激光器国家