深紫外全固态激光(DUV－DPL)技术及应用

以下内容为许祖彦院士在我协会主办的2008中国光电产业发展论坛上的报告，图略。感谢作者！
一． DUV－DPL技术
当前，深紫外（DUV）科研装备主要使用同步辐射和气体放电等非相干光源，同步辐射虽有波段宽（1－1000eV）的优势，但能量分辨率（谱分辨率）低（1～5meV量级），光子流通量不大（1010～1012光子/秒），聚焦光斑大（～30.5mm2），因此光子流密度低（1012～1014光子/秒.cm2）；气体放电光源能量分辨率不高（1.2meV），光子流通量小（～1012光子/秒），聚焦光斑大（～2mm），因而光子流密度很低（＜1014光子/秒cm2），这些性能已不能满足DUV仪器发展的需求。开发DUV激光源就成了激光技术的重要发展方向，虽然，多年来已研究出几种，如：准分子激光、气体高次谐波、四波混频和自由电子激光等。但这些相干光源对于科研装备配套使用的基本要求¬——实用化和精密化，尚有一定距离。如：准分子激光虽有平均功率高(W～kW)的优点，但光束质量差、波段范围窄(nm)，调谐困难，不能研究超快过程，且多含有毒气体，寿命有限，横向放电激光稳定性差等；气体高次谐波和四波混频虽波长短，但仅能产生少数波长且效率很低，实用化困难；自由电子激光器是一种比较理想的激光器，波段/调谐很宽（X光到远红外），可输出大功率（如kW以上），但目前技术尚不成熟，且体积大，造价高。
DPL具有体积小、寿命长、效率高等优点，并且易实现实用化、精密化，如光束质量好，可实现宽调谐、窄谱线，低重频至高重频、连续波、纳秒/皮秒/飞秒脉冲等多样化运转，稳定性好，易实现模块化，是新一代的激光光源。近十余年来，可见/近红外波段DPL技术已比较成熟，正在向高功率/超高功率（100W～100kW）和高光束质量（近衍射极限）方向发展，而DUV－DPL技术尚处在待开拓状态。以受激发射原理为基础的固体激光器，由于激活离子能级结构的限制难以直接产生深紫外激光，而利用以高功率近红外DPL为基频光源的非线性谐波技术，通过多级变频产生DUV相干辐射，被视为发展DUV－DPL的重要途径。长期以来国内外科学家作了巨大努力，仍没有发现DUV波段可实用化的非线性光学晶体，致使DUV－DPL技术很不成熟，DUV激光应用仪器的发展也受到很大限制，因此200nm波长被称为“深紫外壁垒”[1]。
根据公式P µ(1 /λ)3，受激发射波长（λ）越短，要求激发速率（P）越高，因此通过多级非线性光学变频过程实现DUV－DPL更方便，而与SFG法相比，SHG法更实用化/精密化[2]。KBBF晶体透光波段的短波截止波长是155nm，并且可在200nm以下的深紫外波段实现相位匹配，是目前直接倍频匹配波长最短的晶体。通过图1可以看到，KBBF是目前唯一能用SHG法发展DUV－DPL的晶体。

图1 KBBF晶体与其他非线性光学晶体SHG最短波长对比

图2 KBBF晶体结构示意图
1968年前苏联科学家合成了一种化合物KBBF（KBe2BO3F2），90年代初中科院陈创天研究组生长出单晶并确定了晶体结构，测量了光学性能，在此基础上，陈创天和许祖彦在香港科大实验发现了该晶体直接倍频产生深紫外特性[3]。KBBF成为至今唯一一种能直接倍频产生深紫外的非线性光学晶体（见图1）。KBBF晶体除具有谐波波长短的优势外，还具有不潮解，损伤阈值高，接收角大等优点。KBBF晶体为六边形的薄片（如图2所示），具有层状生长习性，厚度仅为mm量级，一般小于2mm，无法按相位匹配方向切割，限制了它在紫外、深紫外方面的应用，无法发挥其深紫外优势。为此，我们发明了三种相位匹配耦合方法[4-7]，已获中、美、日专利授权，解决了它的紫外、深紫外匹配问题。

图3 棱镜耦合方法示意图
目前，棱镜耦合专利（见图3）已实施成功（PCT），在KBBF晶体表面采用光胶技术与耦合棱镜键合，通过选择合适的棱镜材料、合适的棱镜角度（θPM），就可以使基频光由棱镜入射，在KBBF晶体内达到相位匹配角，实现相位匹配。使基频光波长低于470nm时也能入射进KBBF晶体实现相位匹配（图4）。

图4 采用棱镜耦合方式和直接入射方式KBBF的倍频波段比较
我们使用PCT技术进行了Nd离子激光6次谐波[8]和宽调谐Ti：S激光四次谐波产生实验[9]，其原理如图7和图8所示。实验获得的m级深紫外激光与同步辐射光源以及深紫外放电光源性能的比较。在能量分辨率，光子流通量/光子流密度，运转方式、可调谐性和探测深度等综合性能指标上，DUV－DPL具有明显的优势，属跨越式发展。

图7 Nd 离子激光6次谐波产生原理示意图

图8 宽调谐Ti：S激光四次谐波产生示意图[JF:Page]
表1 三种光源应用特性比较

光源	DUV－DPL	同步辐射光源	深紫外放电光源
能量分辨率（meV）	～0.26	1～5	～1.2
光子流通量（光子/秒）	10¹⁴～10¹⁵	10¹⁰～10¹²	～10¹²
光子流密度（光子/秒.cm²）	10¹⁹～10²⁰	10¹²～10¹⁴	＜10¹⁴
波长范围(nm)	170－232	1－210	58.5
运转方式	ns、ps、fs 脉冲	ns、ps 脉冲	cw
探测深度（nm）	～10 （体效应）	0.5～2 （表面效应）	～0.5 （表面效应）

目前，177.3nm深紫外激光ns脉冲运转已获得30mW以上输出，ps脉冲运转已获得10mW以上输出（见图9）。可调谐范围已覆盖了170nm以长的深紫外波段（图10）。

图9 Nd离子激光 6 次谐波（177.3nm)实验的输出功率曲线

图10 宽调谐 Ti：S激光四次谐波特性曲线
二． DUV－DPL应用前景
DUV－DPL科研装备在物理、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，并将促进交叉学科多领域新发展，目前国内外很多单位提出了急迫需求，如：深紫外激光光电子能谱仪系列，包括角分辨、自旋分辩、光子能量可调、时间/空间分辨等；深紫外激光光谱仪系列，包括拉曼光谱、荧光光谱、隧道电子谱仪等；深紫外激光显微镜系列，包括光电子显微镜、荧光显微镜、表面成像显微镜、近场光学显微镜等；深紫外激光光化学反应仪；深紫外激光干涉仪；深紫外激光（光刻）直写机；纳米光刻（193nm）深紫外激光校准系统；另外还提出了多方面需求方向，如：深紫外气溶胶质谱，DNA、RNA、蛋白质分子深紫外激光操控，生物样品检测和超微结构加工修饰，深紫外激光流式细胞检测，深紫外激光诱导的外源基因定向导入，深紫外激光原位微区微量地质样品分析等。
相对于DUV非相干光源仪器，DUV－DPL相干光源装备将成量级的提高探测的灵敏度、能量、时间和空间分辨率。将有助于大大提高新现象的观测，新数据获取的可能性。新的高亮度光源将使很多新的实验研究成为可能。新型DUV科研装备将为学科研究提供全新的先进手段，推动多学科的发展，创建新的科技前沿。
光电子能谱技术是研究高温超导体等先进材料微观电子结构的高尖端实验手段[10-32]。我们在国际上首次将DUV－DPL应用到能量分辨/角分辨光电子能谱技术上，使能量分辨率由同步辐射目前最好的～100meV改进到优于20meV、光束流强度比同步辐射提高3到4个量级、样品探测深度将由同步辐射技术的5～20埃增加到接近100埃，因此，光电子能谱分析技术的性能产生根本性的改善。我们成功研制出国际第一台DUV－DPL超高能量分辨率角分辨光电子能谱仪，并利用这台能谱仪获得了最新的发现和进展[33-34]，如：发现了新的电子耦合方式；发现电子型NCCO超导体色散关系中，也存在着扭折现象；使EDC检测分析简单易行；提供了超导能隙和赝能隙属同一起源的精确实验结果。DUV－DPL将进一步应用于自旋分辨，光子能量可调能谱仪。
激光拉曼光谱是一项重要的现代分子光谱技术，是研究物质分子结构的强有力工具，常规的拉曼光谱仪是由可见激光（>400 nm）作为激发光源，由于存在灵敏度低和荧光干扰的困难，使许多领域的拉曼光谱研究工作无法开展。DUV波段的拉曼光谱仪可将信噪比大大提高，与近红外的拉曼光谱仪相比，提高了3个量级。
目前，184 nm以下的深紫外拉曼光谱在国际上还没有报道，我们将利用177.3 nm DUV—DPL为激发光源，研制出国际上第一台深紫外激光拉曼光谱仪。
光发射电子显微镜(Photoemission Electron Microscopy，PEEM)是以紫外光或X射线光来激发固体表面，采用电子光学系统记录表面发射的光电子并进行成像的一种表面分析技术。PEEM能够原位实时对表面电子态成像，在许多领域有着非常重要的应用。提高PEEM空间分辨率的关键是激发光源的强度。现有的先进PEEM工作站均采用高强度的同步辐射光源，光亮度在1012photons/s左右，空间分辨在20-50 nm。我们首次采用深紫外激光作为PEEM的激发光源，这一光源的强度比同步辐射光源高2-3个数量级，达到1015photons/s，光子流密度比同步辐射提高6个数量级，达到1019－1020photons/s.cm2。这一独特的高强度激发光源配合改进的电子透镜系统能够把PEEM的空间分辨率提高到一个世界领先的水平（5-7 nm），同时还将具有高的能量分辨。[JF:Page]
近几十年来，以激光为光源的光致发光技术已经成为检测和表征半导体材料物理性质最基本、最重要的手段。利用这些技术可以获得半导体材料的晶体结构、电子态、能带（级）结构、激子、声子结构、电子－声子散射、杂质、缺陷、表面态、各类瞬态过程（热电子弛豫、载流子的发射和俘获等）等信息。作为基础的光源－激光，波长覆盖已从紫外至THz远红外的广阔波段。然而，适用于光谱仪器的深紫外激光光源却依然处于发展初期阶段。截至目前，国际上还没有以深紫外激光器为光源的激光光谱仪器。另一方面，在半导体材料研究领域，以AlN、BN、BeZnO、金刚石等为代表的超宽带隙材料越来越受到人们的重视，其对应的波长位于深紫外区。由于深紫外区激光光致发光光谱仪的缺乏，对这些超宽带隙半导体材料的表征无能为力，严重影响了这些材料的材料物理和材料生长研究。
所以利用我国特有的深紫外全固态激光器为激发光源研制激光光致发光光谱仪具有先进性，该谱仪同时具有准稳态发射光谱测量和时间分辨光谱测量功能。
迄今为止，化学家们已合成了三千多万个化合物，占总量约90%化合物其吸收在深紫外区，由于缺乏相应的光源，这些合成化合物的光化学研究尚不多见。
在信息领域，DUV-DPL将为掩模制作带来革命性变革：深层光刻将对MEMS等微纳加工领域带来重大的变革；小型深紫外激光加工机，用于加工纳米尺度的微结构、具有方便、灵活、大面积的特点，在纳电子和纳光电子及生物传感器领域均具有应用前景。
在资环领域，DUV-DPL在资环领域可能推动若干新技术的发展，如：气溶胶化学成分分析；地质样品微区/微束分析；Ar年代学研究等。
在生命科学领域，DUV-DPL在生命科学领域可能发挥重大作用，如：流式细胞，细胞融合仪，外源基因定向导入，DNA结构排序等。
中科院独有的DUV-DPL技术，将为深紫外波段信息光电子学和能量光电子学提供新的研究手段，并以其实用化和精密化的特点促进深紫外新型科学仪器产业化的发展。

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