在許多網(wǎng)友的印象中，中國各領(lǐng)域里的高端儀器設(shè)備，不是山寨的就是進(jìn)口的，似乎沒什么可以拿得出手的。

其實(shí)，可能很多人不知道，有一類設(shè)備全世界卻只有中國造出來了，這就是深紫外全固態(tài)激光器(DUV-DPL)。2013年9月，16臺(tái)國際首創(chuàng)新型深紫外激光科研裝備通過驗(yàn)收，中國成為全球唯一能夠制造實(shí)用化深紫外全固態(tài)激光器的國家。

深紫外全固態(tài)激光器是什么東東?這些儀器究竟有什么用?接下來我們一一道來。

（一）它能用來制造光刻機(jī)，還能讓我們將世界看得更清晰

光是無處不在又令人著迷的，從古希臘時(shí)代到量子力學(xué)到現(xiàn)代激光，不論在理論還是應(yīng)用上都取得了豐富的成果。

古語云工欲善其事，必先利其器，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步越來越依靠科研裝備的創(chuàng)新和發(fā)展，而且科研裝備的重大突破，往往會(huì)催生新的科研領(lǐng)域，產(chǎn)出重大創(chuàng)新成果。

有人統(tǒng)計(jì)過，迄今為止，至少有1/3的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)授予了那些在測(cè)試儀器和實(shí)驗(yàn)方法方面有重要突破性創(chuàng)新的科學(xué)家，這也側(cè)面說明了創(chuàng)新型科研裝備研制的重要性。

中學(xué)時(shí)代我們便知道有光學(xué)顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等等光學(xué)儀器，這些一般是利用可見光作為光源的。那么，在可見光之外，有沒有其他光源可以為我們所用，制造出更高大上的儀器裝備呢?當(dāng)然有，深紫外光源就是其中之一。

我們都知道，光是一種電磁波，根據(jù)波長從短到長，光可以分為紫外光、可見光和紅外光，那么深紫外光又是什么呢?一般情況下，科學(xué)家把波長小于200 納米的電磁波就叫做深紫外光(DUV)，也被稱為真空紫外。

(電磁波頻譜示意圖)

高中物理知識(shí)告訴我們光具有波粒二象性，即光既是波也是粒子，那么從波的角度來說，由于存在衍射極限，光的波長越短，其可以達(dá)到的分辨率也越高;從粒子角度來說，光的波長越短單個(gè)光子的能量越高。

舉例來說，目前還有很多材料的精細(xì)特征不為人知，因?yàn)檫@些材料只在深紫外波段才吸收光子，所以，科學(xué)家們只有擁有了實(shí)用化的深紫外光源后，才有可能看到之前看不到的，看清之前看不清的;此外，近幾年常常出鏡的“攔路虎”光刻機(jī)所需要的光源也是深紫外光源，因?yàn)椴ㄩL越短光刻機(jī)的分辨力也越高。

（二）深紫外激光源要怎么產(chǎn)生？這是一個(gè)問題

剛才我們說到，制造芯片所用的光刻機(jī)已經(jīng)用上了深紫外光源，那么為什么還說中國是第一個(gè)制造出深紫外全固態(tài)激光源(DUV-DPL)的國家呢?

這就要立足“全固態(tài)”，這三個(gè)字特別關(guān)鍵。

我們常說條條大路通羅馬，實(shí)現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)的路往往不止一條，同樣地，實(shí)現(xiàn)深紫外光源的途徑也不只全固態(tài)激光源這一種辦法。

過去我們主要采用同步輻射和氣體放電等非相干光源，同步輻射裝置是一種大科學(xué)裝置，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，維護(hù)成本異常高昂，幾乎不可能在實(shí)驗(yàn)室靈活使用，而且，它們還存在無解的缺陷，包括分辨率、光子流密度等關(guān)鍵指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后深于深紫外全固態(tài)激光源。

(深紫外全固態(tài)激光源和常用的深紫外光源對(duì)比)

而目前光刻機(jī)上使用的激光源是準(zhǔn)分子激光器，主要是氟化氬(ArF，193納米)準(zhǔn)分子激光和氟氣(F2，157納米)準(zhǔn)分子激光兩種。準(zhǔn)分子激光光源光束質(zhì)量差、穩(wěn)定性差、技術(shù)復(fù)雜、氣體有毒且一次充氣的壽命很短。

上面說到目前成熟的深紫外光源都存在難以克服的缺點(diǎn)，所以同步輻射和氣體放電、準(zhǔn)分子激光器等在制備精密實(shí)用化深紫外激光源裝備中早早出局，所以深紫外全固態(tài)激光源便成為了獨(dú)苗苗。

普通的可見或近紅外固體激光是通過介質(zhì)受激輻射過程產(chǎn)生的，固態(tài)深紫外激光源是不是也可以直接通過受激輻射過程產(chǎn)生呢?令人遺憾的是不行。

由于激光介質(zhì)需要采用比發(fā)射波長短的光來抽運(yùn)激發(fā)，例如要得到200納米的激光，你就需要用小于200納米的光去抽運(yùn)，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。而且，波長越短的激光需要的抽運(yùn)速率越快，這一點(diǎn)也是相當(dāng)難實(shí)現(xiàn)的。

所以，國外有學(xué)者認(rèn)為200納米是固體激光的一道坎，即深紫外固態(tài)激光幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。

那么中國這個(gè)全固態(tài)深紫外激光源是怎么實(shí)現(xiàn)的呢?這就要提到非線性光學(xué)這一概念了。

在激光發(fā)明之前，介質(zhì)對(duì)弱光束的響應(yīng)都是線性關(guān)系，激光橫空出世之后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)介質(zhì)對(duì)光束的響應(yīng)還能有非線性關(guān)系，這就產(chǎn)生了非線性光學(xué)這一新的學(xué)科。

簡單地來說，就是一束光照射到非線性材料中頻率可以加倍，兩束光照射進(jìn)非線性材料中得到的新光束頻率可以是兩者的和或差，聽著是不是覺得簡直黑科技?

利用非線性光學(xué)的原理，就可以把可見或者近紅外的固體激光“變頻”為深紫外激光了。

(非線性的倍頻、和頻和差頻效應(yīng))

（三）制造深紫外固態(tài)激光裝備，沒那么簡單

原理的問題解決了，那是不是制造深紫外固態(tài)激光源裝備就手到擒來了呢?并不是。有三道坎擺在全世界科學(xué)家面前。

1

目前唯一能夠在深紫外光譜區(qū)產(chǎn)生有效輸出的是一種稱作氟代硼鈹酸鉀 KBe2BO3F2(KBBF)的非線性晶體，而非線性晶體又是能夠產(chǎn)生深紫外的核心基礎(chǔ)。

在非線性光學(xué)晶體方面，中國早在80年代便早早布局，中科院陳創(chuàng)天院士在相繼發(fā)明BBO(偏硼酸鋇)晶體和LBO(三硼酸鋰)晶體兩種“中國牌晶體”后，基于對(duì)硼酸鹽體系中結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的多年研究，發(fā)現(xiàn)了KBBF晶體是完美的、可用于深紫外波段的非線性晶體。

(陳創(chuàng)天院士和他發(fā)明的KBBF晶體。注：陳院士于2018年10月31日逝世，永遠(yuǎn)懷念)

正當(dāng)準(zhǔn)備將KBBF單晶用于深紫外激光源中大展身手的時(shí)候，卻發(fā)現(xiàn)KBBF晶體特性是層狀結(jié)構(gòu)，沿厚度方向很難生長，剛開始只能生長到0.3 毫米厚，而厚度必須超過1.0 毫米才能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用條件。

花了將近10年時(shí)間，這一問題終于得以解決，目前KBBF單晶已經(jīng)可以生長到4.1 毫米厚，并且可以小批量生產(chǎn)。

曾經(jīng)有一則畫風(fēng)清奇的新聞報(bào)道說美國歷經(jīng)15年研究終于在2016年時(shí)打破中國激光晶體禁運(yùn)封鎖，這則新聞讓人感慨萬千，畢竟大多數(shù)時(shí)候幾乎全是美國及其盟友以各種借口對(duì)中國高科技禁運(yùn)封鎖。

(Nature報(bào)道中國對(duì)激光晶體的禁運(yùn))

2

有了大尺寸的KBBF晶體之后，制造深紫外激光源仍然很難。

剛才我們提到過，KBBF晶體是層狀結(jié)構(gòu)，不僅難長厚，加工也很困難。要想使用KBBF晶體必須要按照特定的匹配角來切割，對(duì)于層狀結(jié)構(gòu)的KBBF這幾乎是不可能的。

于是中國科學(xué)家另辟蹊徑，想到了巧妙的KBBF-氟化鈣棱鏡耦合辦法，通過光路設(shè)計(jì)達(dá)到相位匹配，避免了對(duì)KBBF晶體的后續(xù)切割處理。

(左邊為KBBF-氟化鈣晶體的棱鏡耦合原理，右圖為耦合器件的實(shí)物照片)

利用這一技術(shù)，中國在國際上首次實(shí)現(xiàn)了常用的1064納米激光的6倍頻輸出，達(dá)到177.3 納米，跨過了200 納米的門檻，這一棱鏡耦合技術(shù)已經(jīng)獲得了中美日專利。

(首次通過1064納米激光六倍頻產(chǎn)生177.3 納米激光的光路示意圖)

后面，中國科學(xué)家繼續(xù)突破了波長非線性調(diào)控和光束指向精確補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)平均功率 4 毫瓦長時(shí)間穩(wěn)定輸出，175—210 納米調(diào)諧范圍內(nèi)調(diào)諧精度優(yōu)于0.25納米，指向精度優(yōu)于20 微弧度角(μrad)的深紫外激光源，使中國成為世界上唯一掌握精密化、實(shí)用化深紫外全固態(tài)激光技術(shù)的國家。

(左為177.3 納米固定波長深紫外全固態(tài)激光源，右為175-210 納米可調(diào)諧波長深紫外全固態(tài)激光源)

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有了合適的深紫外激光光源之后，如何很好地集成在所需的前沿裝備上也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

首先，不同的裝備功能不同，所需要的激光源也不一樣，等于每一臺(tái)裝備都需要定制化;其次，這類前沿裝備研制是一個(gè)交叉面廣、跨度很大和工程性很強(qiáng)的項(xiàng)目，需要很多單位合作，涉及到大型項(xiàng)目組織管理;最后，由于中國在尖端儀器研制上較為落后，經(jīng)驗(yàn)欠缺，需要補(bǔ)的課程還很多。

經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)努力攻關(guān)，截至目前中國科學(xué)家已經(jīng)研制成功12種16臺(tái)基于深紫外固態(tài)激光源的前沿裝備，包括深紫外光電子能譜儀、光化學(xué)反應(yīng)儀、光致發(fā)光譜儀、拉曼光譜儀等，這一系列裝備不僅是目前全球唯一能夠?qū)嵱没难b備，而且性能極為優(yōu)異，很多指標(biāo)有了量級(jí)的提升。

(已研制成功裝備代表，左為光子能量連續(xù)可調(diào)深紫外激光光電子能譜儀，右為深紫外激光光化學(xué)反應(yīng)儀)

結(jié)語

利用研制成功的裝備，短短幾年間我們已經(jīng)在高溫超導(dǎo)、拓?fù)浣^緣體、超寬禁帶半導(dǎo)體、光刻等領(lǐng)域取得一系列優(yōu)秀的成果，在Nature等國際頂級(jí)期刊發(fā)表論文27篇，申請(qǐng)專利51項(xiàng)，使中國在這一領(lǐng)域科研水平處于國際領(lǐng)先地位。

而且，中國科學(xué)家沒有坐等別人追趕，最近又設(shè)計(jì)合成了一種性能更優(yōu)的新型無鈹深紫外晶體材料RABF。在未來的深紫外領(lǐng)域，中國必將百尺竿頭更進(jìn)一步，取得更輝煌的成就。

關(guān)鍵詞： 美國 中國 技術(shù)