紫外超快激光器

摘要：3月12日，总预算达1.4亿元的国家重大科研仪器设备专项“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”在大连正式启动。它将成为国际上唯一一套工作在50～150纳米区间且波长可调的全相干高亮度的自由电子激光器。　　对原子、分子的探测是物理化学研究的基础，但由于现有仪器设备的限制，大多数分子和自由基难以被单光子电离，使很多研究无法深入，成为困扰科研工作者的一大难题。　　一项旨在解决该难题的实验装置即将在我国建设。3月12日，总预算达1.4亿元的国家重大科研仪器设备专项“基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置”在大连正式启动。它将成为国际上唯一一套工作在50～150纳米区间且波长可调的全相干高亮度的自由电子激光器。　　项目总负责人、中科院院士杨学明表示，该装置的研制将极大提升我国在能源等相关基础科学领域的实验水平，并极有希望成为国际上相关领域的一个重要研究基地。　　强强联合　　项目负责人之一、中科院大连化物所研究员戴东旭介绍说，能源研究中，煤的热解等燃烧过程的中间产物往往以原子、分子、自由基的形式存在，这些微观粒子被电离为离子后才能变成电信号被测试到。因此，对微观粒子的高灵敏度、高时间分辨率和物种分辨的探测和研究至关重要。　　但是，大多数分子或自由基的激发电离波长都处于极紫外波段(50～150纳米)，而传统激光器产生的基本波长一般在近紫外到近红外波段(300～1000纳米)。这造成了传统激光激发电离微观粒子需要吸收多个光子，其效率和灵敏度会呈几何量级的降低，并且容易把产物打碎。　　为解决该问题，科学家提出了利用自由电子激光产生极紫外波段相干光的技术。该技术被认为是探测微观粒子最有效的途径。自由电子激光的波长可涵盖从硬X射线到远红外的所有波段，特别是利用高增益谐波产生(HGHG)技术产生的自由电子激光具有超高峰值亮度、超快时间特性和良好的相干性，应用价值巨大。　　但该技术直到近十年才在实验中得到验证。其中，中科院上海应用物理所在几年前建设了我国第一个自由电子激光，并成功进行了相关实验。　　而在大连，一位在科研中多年受困于粒子探测难题的科学家坐不住了。他就是以自己研发仪器进行实验而著名的杨学明。杨学明找到上海应用物理所，希望双方能够合作开发新设备。　　上海方面通过经验积累后也意识到，有把握将自由电子激光的波长从200纳米降到150纳米以内，并实现波长可调。于是双方一拍即合，经过几年论证，在2011年联合申请了国家自然科学基金委国家重大科研仪器设备专项。　　1月20日，上海应用物理所宣布：由该所研究员赵振堂领导的自由电子激光研究团队在国际上率先实现了HGHG自由电子激光大范围波长连续可调。　　“在这个项目中，大连化物所和上海应物所是完美结合。”戴东旭表示，上海光源的建成使上海应物所拥有了大科学工程的建设与管理经验，并掌握了大量的关键技术。　　从“敢想”到“敢做”　　据戴东旭介绍，自由电子激光在进入21世纪之后才开始兴旺发展起来。目前，几家研发自由电子激光的相关单位各有所长，其中一些在波长等指标方面较为领先，技术难度很高，但还没有一家可实现波长可调。　　位于合肥的国家同步辐射实验室目前能提供国内真空紫外最好的实验条件，在过去曾协助杨学明课题组做出很好的实验成果。但同步辐射光源毕竟不是激光，在相干性、峰值功率和时间特性上尚存差异。　　针对这些问题，大连化物所从实际需求出发提出要求，上海应用物理所在设计中将目标瞄准解决实验中的实际问题。　　据悉，该项目的设备将主要由我国自主研发。“这项技术国外也处在发展阶段，有些特殊指标只能自己制造，从国外买设备也需要从头研制。”戴东旭说。　　在1.4亿元的项目总预算中，国家自然科学基金委资助1.03亿元用于自由电子激光和实验装置的研制，中科院大连化物所自筹约0.4亿元用于基建和公用设施。该项目的科学目标是研制一套基于HGHG模式的波长可调谐的极紫外相干光源以及利用这一性能优越的光源的实验装置。这也将成为世界上独特的相关基础科学问题的实验平台。　　据悉，目前经费已经到位，装置计划将于2015年年底前建成。而且会在全国实现仪器共享，可应用于物理、化学、生物、能源等多个领域。戴东旭说：“装置建成后，以前测不到的将能测到，以前不好的信号将变清晰，以前做不了的实验也敢做了。”

清华大学等单位共同承担的“十二五”863计划新材料领域“紫外激光器产业化关键技术及应用”课题取得重要进展，于近日通过技术验收。　　课题组解决了厘米级BBSAG晶体生长、非线性晶体超光滑表面加工、工业级应用的全固态激光器整机装配等工艺难点，突破了高光束质量紫外频率变换、非线性光学晶体的寿命及抗损伤、光束指向稳定性等多项关键技术，开发出10-30W不同功率级别的全固态紫外激光器和新型的BBSAG四倍频器件，产品性能达到国外同类产品水平，形成了一套拥有自主知识产权的全固态紫外激光核心技术，并实现了紫外激光器在微加工成套设备上的试用。　　课题实施期间，BBSAG晶体生长技术已经转移到福建福晶科技股份有限公司，该公司及下属公司已经实现BBSAG晶体的生产并出口到欧美等发达国家。经过本课题支持，课题组成功研制出最大输出功率达30W的紫外激光器，各项指标均达到甚至超过国际光电子公司紫外高功率激光器指标水平。该课题成果的产业化，将打破国外在紫外激光器市场中的垄断，极大地提升我国激光微加工制造产业的核心竞争力。

在2009年4月9日召开的“2009中国科学仪器发展年会”上，中国科学院理化技术研究所许祖彦院士作题为“DUV-DPL”的大会特邀报告，DUV- DPL为全固态深紫外激光器。　　全固态深紫外激光器是我国具有自主知识产权的核心技术，在此项技术研发出来以前，我国科学仪器缺乏实用化、精密化的深紫外激光相干光源，致使我国深紫外激光仪器发展缓慢。全固态深紫外激光器研制的成功，使得我国激光科技研究突破了200nm波段的深紫外壁垒，实现了科学仪器的实用化、精密化。　　全固态深紫外激光器(DUV-DPL)作为核心部件可应用在多种光谱仪器上，例如：深紫外激光光电子能谱仪、深紫外激光光谱仪、深紫外激光显微镜、深紫外光化学反应仪、深紫外气溶胶质谱仪等科学仪器。以全固态深紫外激光器为核心部件的科学仪器，其主要功能是：获取新数据，发现新现象，开拓新方向。　　全固态深紫外激光器已申请到了中国、日本、美国的专利，就目前情况而言，中科院的专利已垄断了深紫外全固态激光研究的全部领域。这极大推进了我国科研人员在激光科技研究领域继续深入，促进了我国前沿科学、光电子产业发展，为这一技术研究领域在国际上持续保持优势地位奠定了坚实的基础。　　深紫外激光器已应用于物理、化学、材料科学等领域，将在在信息、资环、生命等领域应用，这将为各大学科提供全新研究手段，对科研活动起到革命性的推动作用。