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

其實，可能很多人不知道，有一類設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臺國際首創(chuàng)新型深紫外激光科研裝備通過驗收，中國成為全球唯一能夠制造實用化深紫外全固態(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，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，從古希臘時代到量子力學到現(xiàn)代激光，不論在理論還是應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)代科學技術的進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，往往會催生新的科研領域，產(chǎn)出重大創(chuàng)新成果。

有人統(tǒng)計過，迄今為止，至少有1/3的諾貝爾物理學獎和化學獎授予了那些在測試儀器和實驗方法方面有重要突破性創(chuàng)新的科學家，這也側面說明了創(chuàng)新型科研裝備研制的重要性。

中學時代我們便知道有光學顯微鏡、望遠鏡等等光學儀器，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，其可以達到的分辨率也越高;從粒子角度來說，光的波長越短單個光子的能量越高。

舉例來說，目前還有很多材料的精細特征不為人知，因為這些材料只在深紫外波段才吸收光子，所以，科學家們只有擁有了實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”光刻機所需要的光源也是深紫外光源，因為波長越短光刻機的分辨力也越高。

（二）深紫外激光源要怎么產(chǎn)生？這是一個問題

剛才我們說到，制造芯片所用的光刻機已經(jīng)用上了深紫外光源，那么為什么還說中國是第一個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)”，這三個字特別關鍵。

我們常說條條大路通羅馬，實現(xiàn)一個目標的路往往不止一條，同樣地，實現(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裝置，結構十分復雜，維護成本異常高昂，幾乎不可能在實驗室靈活使用，而且，它們還存在無解的缺陷，包括分辨率、光子流密度等關鍵指標遠遠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比)

而目前光刻機上使用的激光源是準分子激光器，主要是氟化氬(ArF，193納米)準分子激光和氟氣(F2，157納米)準分子激光兩種。準分子激光光源光束質量差、穩(wěn)定性差、技術復雜、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，所以同步輻射和氣體放電、準分子激光器等在制備精密實用化深紫外激光源裝備中早早出局，所以深紫外全固態(tài)激光源便成為了獨苗苗。

普通的可見或近紅外固體激光是通過介質受激輻射過程產(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。

由于激光介質需要采用比發(fā)射波長短的光來抽運激發(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，這顯然是不現(xiàn)實的。而且，波長越短的激光需要的抽運速率越快，這一點也是相當難實現(xiàn)的。

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

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

在激光發(fā)明之前，介質對弱光束的響應都是線性關系，激光橫空出世之后，科學家們發(fā)現(xiàn)介質對光束的響應還能有非線性關系，這就產(chǎn)生了非線性光學這一新的學科。

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)

（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家面前。

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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。

在非線性光學晶體方面，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，基于對硼酸鹽體系中結構和性能關系的多年研究，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，永遠懷念)

正當準備將KBBF單晶用于深紫外激光源中大展身手的時候，卻發(fā)現(xiàn)KBBF晶體特性是層狀結構，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 毫米才能達到實際應用條件。

花了將近10年時間，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)有一則畫風清奇的新聞報道說美國歷經(jīng)15年研究終于在2016年時打破中國激光晶體禁運封鎖，這則新聞讓人感慨萬千，畢竟大多數(shù)時候幾乎全是美國及其盟友以各種借口對中國高科技禁運封鎖。

(Nature報道中國對激光晶體的禁運)

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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晶體是層狀結構，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，對于層狀結構的KBBF這幾乎是不可能的。

于是中國科學家另辟蹊徑，想到了巧妙的KBBF-氟化鈣棱鏡耦合辦法，通過光路設計達到相位匹配，避免了對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物照片)

利用這一技術，中國在國際上首次實現(xiàn)了常用的1064納米激光的6倍頻輸出，達到177.3 納米，跨過了200 納米的門檻，這一棱鏡耦合技術已經(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，中國科學家繼續(xù)突破了波長非線性調控和光束指向精確補償?shù)燃夹g，實現(xiàn)平均功率 4 毫瓦長時間穩(wěn)定輸出，175—210 納米調諧范圍內(nèi)調諧精度優(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、實用化深紫外全固態(tài)激光技術的國家。

(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，等于每一臺裝備都需要定制化;其次，這類前沿裝備研制是一個交叉面廣、跨度很大和工程性很強的項目，需要很多單位合作，涉及到大型項目組織管理;最后，由于中國在尖端儀器研制上較為落后，經(jīng)驗欠缺，需要補的課程還很多。

經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)努力攻關，截至目前中國科學家已經(jīng)研制成功12種16臺基于深紫外固態(tài)激光源的前沿裝備，包括深紫外光電子能譜儀、光化學反應儀、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實用化的裝備，而且性能極為優(yōu)異，很多指標有了量級的提升。

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

結語

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

而且，中國科學家沒有坐等別人追趕，最近又設計合成了一種性能更優(yōu)的新型無鈹深紫外晶體材料RABF。在未來的深紫外領域，中國必將百尺竿頭更進一步，取得更輝煌的成就。

關鍵詞： 美國 中國 技術