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| 创造独一无二的光源 | ||||||||||
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| 2005年3月2日，中日科学家分别在北京和东京发布消息：双方合作研制出世界上分辨率最高的超高分辨率光电子能谱仪，其分辨率达到0.36毫电子伏，并首次直接观察到超导电子态。记者了解到，在这项成果中，中方发明的新型紫外非线性光学晶体KBBF(氟硼铍酸钾)和棱镜耦合技术首次成功地获得钕离子激光六倍频(177.3纳米)输出，使能谱仪拥有六倍频激光作为光源，其作用至关重要。 KBBF晶体是什么？六倍频激光特殊在哪？棱镜耦合技术又是怎样的？带着满脑子懵懂和好奇，记者来到了863计划“新型深紫外非线性光学晶体材料和紫外、深紫外全固态激光器”课题的主要完成单位———中科院理化所。 十分不巧，KBBF晶体的发明人陈创天院士正在外地合作研究，于是记者采访了课题负责人李如康教授，他告诉记者：“其实我们就是在做光源。” 只有KBBF晶体能实现激光六倍频 李如康介绍，KBBF晶体是由陈创天研究组发明的一种新型紫外非线性光学晶体，是目前使用倍频方法输出最短波长的晶体，只有它能够实现钕离子激光六倍频。看见记者目瞪口呆的样子，他只好从深紫外相干光源开始介绍。 他说：“深紫外相干光源指波长短于200纳米的相干光，目前主要应用之一就是作为光电子能谱仪的光源，使它具有超高分辨率。我们和日本合作研制的超高分辨率光电子能谱仪使用的光源是六倍频深紫外激光，波长为177.3纳米，线宽仅0.009纳米，光子能量高达6.994电子伏，光子流密度达1015/秒，每个光子的能量精确度达到0.26毫电子伏，从而保证仪器的总体分辨率达到0.26毫电子伏，而此前这类能谱仪的能量分辨率都在1毫电子伏以上。”他表示，借助这台超高分辨率能谱仪可以更仔细的研究固体费米面附近的电子特性，同时对了解其他强关联电子体系，低微纳米导线，半导体电子带结构等电子态都能起到关键作用。 深紫外相干光源是如何产生的？李如康表示，目前只有两种途径能产生这类光源的有效功率输出。 “一种是准分子激光器，例如ArF准分子激光器能产生193.5纳米的相干光源，而F2准分子激光器能产生157.0纳米的相干光源。”他说，“但是准分子激光具有线宽大，操作十分不便，而且波长不可调等缺点，应用受到很大限制。” 另外一种方法，就是使用深紫外非线性光学晶体，通过高次谐波的方法产生深紫外相干光。他表示，全固态深紫外相干光源具有操作方便，线宽狭，波长可调等优点。他告诉记者，有关深紫外非线性光学晶体的探索、生长和器件领域的研究，我国在国际上占有较大优势。 “中国牌晶体”保证我国领跑非线性光学晶体领域 采访中，记者一直对“六倍频激光”这个词感到不解，“倍频”是什么意思？李如康说，通过倍频的方法改变激光频率，可获得各波长的相干光输出，而各种非线性光学晶体是实现激光变频的主要材料。 以Nd：YAG(掺钕的钇铝石榴石)激光为例，当人眼看不见的1.06μm红外激光入射至非线性晶体(如磷酸钛氧钾KTP和三硼酸锂LBO)时，可通过倍频成为肉眼十分敏感的0.53μm绿色激光。然后，可以利用β-偏硼酸钡(BBO)或三硼酸锂(LBO)等晶体进一步将0.53μm的绿光通过四倍频、五倍频直接获得0.266μm和0.212μm的紫外激光，这样短波长的激光，可在激光加工，信息技术，医疗，半导体集成电路，科学研究等领域获得广泛应用。 1978年，陈创天领导的研究小组和合作者一起发现了BBO晶体。BBO晶体具有很大的有效倍频系数，很宽的透明波段区，低色散、较大的双折射率以及很高的抗光损伤阈值。它的发现及其日后作为高技术产品的开发在国际激光技术界引起了很大的反响，被誉为“中国牌晶体”。 不过，BBO也存在一些缺点，例如吸收边在190纳米，限制了晶体在紫外区应用的可能性，其谐波的转换角较小，离散角太大。因此陈创天研究组在发现BBO后继续探索，很快找到了新的“中国牌”———LBO。 与BBO相比，LBO晶体紫外截止波长紫移到160纳米，其双折射率也从0.12降至0.045左右。同时，它有适当的硬度，良好的机械加工性能，完全不潮解，并且已经能够长出大尺寸高质量的单晶。 BBO和LBO晶体的成功发现，极大推进了紫外激光频率的获得，但人们没有满足。结合BBO、LBO的一些不足之处，科学家提出了如下挑战：是否可以在硼酸盐系列晶体中发现其他能具有较大倍频系数、更短的紫外吸收边、适当的双折射率以及其他良好性质的非线性光学晶体？上世纪90年代，陈创天研究组进一步发现了KBBF晶体，综合多方特性，该晶体在紫外、深紫外光谱区具有重要应用前景，成为我国在无机非线性光学晶体领域继续保持国际领先水平的重要保证之一。 我国首创棱镜耦合技术解决六倍频匹配问题 然而，KBBF晶体也并非十全十美，虽然它具备产生六倍频激光的条件，但由于其生长为层状结构，晶体厚度薄、无法按照相位匹配方向切割，不能直接实现六倍频相位匹配。这种情况下，研究人员在陈创天院士和中国科学院物理所许祖彦院士的共同领导下，创造了国际上前所未有的棱镜耦合技术。 李如康介绍说：“棱镜耦合技术已取得了专利，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。其中，我们采用自己的设计加工技术对研磨抛光工艺进一步改进，获得了近乎完美的光胶面接触，棱镜耦合器件的整体透过率超过90%，单接触面的光损失小于3%，这已经全面超过了日本器件加工的水平。” 虽然关键问题解决了，但李如康仍表示研究中还面临许多难题，首先就是KBBF晶体的厚度问题。他说：“KBBF晶体的厚度一般不超过2毫米，部分晶体最厚的地方达到了3.4毫米，但是生长速度很慢，如果能长到5毫米，那将能解决很多问题。我们正在探索新的生长工艺和增加晶体生长炉的数量。” |
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