從(cong) 原始社會(hui) 崇拜和利用光，到現代社會(hui) 研究與(yu) 應用光，人類“追光”的曆史貫穿了整個(ge) 文明發展曆程。

發現日光有7種顏色、發現無線電波可以用來通信、發現紫外線能夠殺菌、發現X射線和伽馬射線能夠透視物體(ti) 內(nei) 部結構……激光發明後，“追光者”們(men) 探索的光的波長，從(cong) 可見光的400至700多納米一直縮短至紫外線的300多納米。

當時間走進20世紀末，人們(men) 有了新目標——進軍(jun) 波長小於(yu) 200納米的深紫外光。

與(yu) 此前所有的光學發展史不同，這次，跑在最前麵的“追光者”是中國人。

深紫外激光具有波長短、能量分辨率高、光子通量密度大等特點，在激光光刻、激光微加工等領域頗具應用價(jia) 值。一些先進科學儀(yi) 器也會(hui) 將其作為(wei) “探針”，探明物體(ti) 內(nei) 部結構。

長期以來，國際激光學界普遍認為(wei) 200納米是一道難以跨過的坎，誰能邁過去，率先造出實用化、精密化的深紫外激光源，誰就能搶占深紫外領域製高點。

這一挑戰深深吸引了中國科學家。我國人工晶體(ti) 專(zhuan) 家陳創天早在1990年就注意到氟代硼鈹酸鉀（KBBF）晶體(ti) 及其光學特性。1996年，他和激光專(zhuan) 家許祖彥利用多波長寬調諧光參量放大器，首次產(chan) 生出184.7納米的激光，為(wei) 打破200納米“魔咒”帶來了希望。

2001年，已調入中國科學院理化技術研究所（以下簡稱理化所）工作的陳創天帶領團隊成功生長出實用的KBBF晶體(ti) ，這是世界上唯一能直接倍頻產(chan) 生深紫外激光的非線性光學晶體(ti) 。

而許祖彥從(cong) 上世紀80年代末起，就懷著“填補空白”的初心，嚐試研製深紫外激光器。

於(yu) 是，陳創天和許祖彥，一位手握晶體(ti) 技術、一位手握激光技術，兩(liang) 人一拍即合，決(jue) 定聯手闖一闖深紫外的“無人區”。

他們(men) 首先要找到有深紫外激光使用需求的用戶，據此設計並製造相應的深紫外激光器。為(wei) 了尋找合作用戶，接下來3年多的時間裏，年逾六十的許祖彥變身“推銷員”，在全國各地十幾個(ge) 研究機構穿梭遊說，詳細講解深紫外激光在科學研究中的潛力。

當時，他被問到最多的一個(ge) 問題是，“這個(ge) 領域在國外有哪些論文？國際上有沒有類似的事例？”每次，許祖彥都如實地說：“目前全世界還沒有其他人從(cong) 事這一研究，隻有我們(men) 發表過文章。”結果，他不出意料地總是無功而返。

正當許祖彥和陳創天一籌莫展時，兩(liang) 封郵件帶來了轉機。

郵件來自剛從(cong) 美國訪學回來的中國科學院物理研究所（以下簡稱物理所）研究員周興(xing) 江。回來前，周興(xing) 江在美國斯坦福大學同步輻射實驗室工作，研究高溫超導材料內(nei) 部的電子狀態。回國後，由於(yu) 當時國內(nei) 還沒有適用的同步輻射光源裝置，他一時間找不到合適的科研平台。

2004年5月的一天，周興(xing) 江無意中在一本國際刊物上看到陳創天和許祖彥發表的論文，他們(men) 用許祖彥研製的世界首台多波長寬調諧光參量放大器實現了184.7納米的深紫外全固態激光。這讓周興(xing) 江眼前一亮：“我的研究有沒有可能用深紫外激光器實現呢？”按照論文作者信息，他給許祖彥和陳創天各發了一封郵件，很快就收到回複和邀約。周興(xing) 江也因此成為(wei) 第一位合作用戶。

在財政部專(zhuan) 項基金及中國科學院儀(yi) 器設備研製和改造項目支持下，經過多方共同努力，這次合作首戰告捷。2006年底，他們(men) 以深紫外激光為(wei) 光源，研製出國際首台“真空紫外激光角分辨光電子能譜儀(yi) ”，並測量出電子的能量和動量。看著電腦上顯示的能譜圖，周興(xing) 江難掩心中激動：“比第三代同步輻射光源光電子能譜儀(yi) 的精度還要高！”

有了成功的經驗，陳創天和許祖彥更加堅定了走下去的信心。2007年，財政部和中國科學院共同設立“國家重大科研裝備項目”試點專(zhuan) 項。“深紫外固態激光源前沿裝備研製”（以下簡稱一期項目）成為(wei) 首批啟動的8個(ge) 試點項目之一，目標是研製8類實用化、精密化深紫外固態激光源。項目由理化所牽頭，許祖彥和陳創天擔任首席科學家。

2009年3月，國際首台納秒深紫外固態激光源實用化樣機研製成功。左一為(wei) 許祖彥，左二為(wei) 一期項目總指揮詹文山。

2013年，一期項目完成後，深紫外固態激光源前沿裝備研製（二期）項目（以下簡稱二期項目）啟動。許祖彥提出將研究領域從(cong) 物理、化學、材料拓展至信息、生命、資環領域，並研製出6套國際領先的深紫外全固態激光源重大科研裝備，建立起“深紫外晶體(ti) —激光源—前沿裝備—科學研究—產(chan) 業(ye) 化”的完整鏈條。

深紫外全固態激光光發射電子顯微鏡。

在深紫外固態激光源的研製中，KBBF晶體(ti) 是研製鏈條的起點。

KBBF晶體(ti) 就像一顆小石子，體(ti) 積很小，層狀結構極易引起解理，很難長出大而厚的晶體(ti) ，自然生長下厚度隻有0.1毫米。更難的是，KBBF晶體(ti) 生長不能采用傳(chuan) 統的“晶種法”，隻能靠自然生長，即便撒下晶體(ti) “種子”，也無法誘導在其上定向聚集成核並生長，反而會(hui) 在多處自發成核生長，最終收獲一大堆小而薄的碎晶體(ti) 。

1999年7月，陳創天牽頭組建團隊，理化所研究員王曉洋就是其中的一員大將。他於(yu) 2004年加入陳創天團隊，負責KBBF晶體(ti) 生長。

KBBF晶體(ti) 生長主要采用“爐海戰術”，4個(ge) 月才能長出一爐，所以他們(men) 就安排了一堆爐子，給每個(ge) 爐子創造不同的晶體(ti) 生長條件。

每次開爐無異於(yu) “開盲盒”，而結果總是不盡如人意。

就在王曉洋極度鬱悶之時，2006年下半年，連續兩(liang) 個(ge) 周期，有一台爐子很“爭(zheng) 氣”地長出了厚達3毫米的KBBF晶體(ti) 。“完全滿足實用需求！”王曉洋鬆了口氣，認為(wei) 已經解決(jue) 了晶體(ti) 生長難題。

可惜，喜悅有多大，失望就有多大。第三個(ge) 及後麵幾個(ge) 試驗周期，KBBF晶體(ti) 的良品率急劇下降。王曉洋花了很長時間才找到原因，原來是晶體(ti) 生長所用原材料的生產(chan) 廠家換了,此前“兩(liang) 連勝”的KBBF晶體(ti) 原料都來自同一個(ge) 廠家，但第三個(ge) 周期開始前，廠家突然倒閉，他們(men) 不得不更換了新廠家，買(mai) 到的原料產(chan) 自不同礦區，所含微量元素也有所不同。

痛定思痛，王曉洋決(jue) 定從(cong) 頭製備原料。他們(men) 一邊重新生長晶體(ti) ，一邊摸索出一套原料製備和提純方法。2013年，一期項目驗收時，他們(men) 在國際上首次實現了批量生長大尺寸、高質量KBBF晶體(ti) 的技術。

一次次技術迭代、性能優(you) 化讓KBBF晶體(ti) 的品質越來越高。“到2023年二期項目結束時，我們(men) 完全攻克了KBBF晶體(ti) 生長工藝難題。”王曉洋說，二期項目結項時，KBBF晶體(ti) 的良品率從(cong) 一期項目的10%提升到30%。而如今，KBBF晶體(ti) 的良品率已達60%以上，不但滿足了實用要求，還逐漸走向商業(ye) 化。

在開展晶體(ti) 攻關(guan) 的同時，激光器的研製也在進行。早在一期項目立項之前，許祖彥就已經開始摸索“如何用KBBF晶體(ti) 製成實用化精密的深紫外激光源”。

一般來說，當激光器發射出的激光以特定匹配角穿過非線性光學晶體(ti) 時，射出的激光線會(hui) “一分為(wei) 二”，多出的這束光線的波長會(hui) 變為(wei) 原激光波長的1/2，頻率則提升至兩(liang) 倍。這被科學家稱為(wei) “激光倍頻技術”。

當時國際上鮮有人涉足波長小於(yu) 200納米的固態激光“深紫外激光”研究。許祖彥等人做了一個(ge) 設計，如果能夠用好KBBF晶體(ti) ，1064納米激光經過六倍頻，便可產(chan) 生波長177.3納米的深紫外激光。

要實現這樣的設計目標，首先需要將晶體(ti) 和棱鏡無縫組裝在一起。

起初，許祖彥和陳創天試著將KBBF晶體(ti) 按照一定方向“粘”在兩(liang) 個(ge) 紫外級石英棱鏡之間，然而，許祖彥找了兩(liang) 年多，始終沒找到既能將棱鏡和KBBF晶體(ti) 粘在一起，又能透過深紫外光的光學膠。

既然沒有，那就自己造。團隊另辟蹊徑，發明了光膠專(zhuan) 利技術，用一種特殊工藝將KBBF晶體(ti) 和棱鏡表麵打磨得光滑平整，然後利用分子間作用力，直接讓棱鏡和晶體(ti) 緊緊耦合在一起。憑借這種沒有膠的光膠工藝，他們(men) 成功發明了全球首個(ge) KBBF晶體(ti) 棱鏡耦合裝置，首次實現1064納米激光的六倍頻輸出，將全固態激光波長縮短至177.3納米。

KBBF族晶體(ti) 和光膠棱鏡耦合器件。

2005年，相關(guan) 技術申報了國際專(zhuan) 利並被授權。2020年，我國商務部和科技部聯合發文，將“KBBF晶體(ti) 生長與(yu) 棱鏡耦合器件加工技術”列入限製出口技術目錄。這成為(wei) 我國少有的對國外實行技術禁運的高新技術。

2007年，一期項目立項後，他們(men) 繼續探索如何將深紫外棱鏡耦合倍頻器件發展成全固態深紫外激光源。

理化所研究員張申金是首台皮秒175~210納米寬調諧深紫外全固態激光源研製過程的親(qin) 曆者之一。他記得，2010年，他們(men) 度過了一個(ge) 壓力極大的夏天。

皮秒175~210納米寬調諧深紫外全固態激光源屬於(yu) 國際首創，不僅(jin) 要實現實用化與(yu) 精密化的樣機並將其配套到前沿裝備光電子能譜儀(yi) 上，還要實現每次開機每天運行24小時，至少連續運行約7天的目標。

為(wei) 滿足光電子能譜儀(yi) 對波長寬調諧後光束指向的要求，許祖彥和張申金一起討論二倍頻和四倍頻關(guan) 鍵技術問題與(yu) 解決(jue) 方案，最終自主研發了高精度350~420納米寬調諧反向級聯二倍頻係統和高精度175~210納米寬調諧深紫外激光產(chan) 生、整形及光束指向準自動調控係統，滿足了整機要求。

在晶體(ti) 與(yu) 激光器技術被逐一攻克的同時，“定製化”的深紫外固態激光裝置平台越來越多。

周興(xing) 江對10多年來的持續合作攻關(guan) 曆程記憶猶新。

2006年，周興(xing) 江和陳創天、許祖彥初次合作首戰告捷後，他們(men) 在一期項目中繼續合作。一期項目8台科學儀(yi) 器設備，周興(xing) 江團隊負責了其中兩(liang) 台半的製備工作。

這其中的“半台”設備，指的是調整周興(xing) 江此前合作建設的真空紫外激光角分辨光電子能譜儀(yi) 。另外兩(liang) 台設備，一台是深紫外激光自旋分辨角分辨光電子能譜儀(yi) ，另一台是基於(yu) 飛行時間能量分析器的深紫外激光角分辨光電子能譜儀(yi) 。

一期項目結束後，周興(xing) 江盼望能有一台具備極低溫研究環境的深紫外激光裝備，觀察極低溫條件下超導材料的電子結構，於(yu) 是又參與(yu) 了二期項目。

曆時8年，周興(xing) 江團隊和陳創天、許祖彥團隊製成國際首台大動量極低溫深紫外激光光電子能譜儀(yi) ，不僅(jin) 創造了0.8開氏度的極低溫紀錄，還將光子能量提升到7.4電子伏特。至此，科研人員終於(yu) 能精準“看清”超導材料的微觀電子結構，探索超導、拓撲等先進量子材料奇特物性的起源了。

2013年9月，研究人員操作基於(yu) 飛行時間能量分析器的深紫外激光角分辨光電子能譜儀(yi) 。

從(cong) 2004年合作至今，作為(wei) 我國紫外固態激光裝備研製的見證者和參與(yu) 者，周興(xing) 江收獲頗豐(feng) 。2013年，他因以深紫外全固態激光前沿裝置為(wei) 平台做出的重要研究成果，榮獲全球華人物理學會(hui) 亞(ya) 洲成就獎。今年，他又基於(yu) 大動量極低溫深紫外激光角分辨光電子能譜儀(yi) ，揭示了鐵基超導配對機理中的關(guan) 鍵信息，引發國際關(guan) 注。

深紫外固態激光裝置的受益者，還有中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大化所）。深紫外一期項目期間，理化所為(wei) 大化所定製的深紫外激光源使其發現了石墨烯對催化反應的調控作用、石墨烯對鉑金催化表麵反應有限域增強效應等不少新現象。

除了周興(xing) 江團隊、大化所團隊外，理化所還與(yu) 中國科學院精密測量科學與(yu) 技術創新研究院團隊合作，用特別定製的深紫外激光研製鋁離子光頻標；與(yu) 中國科學院化學研究所團隊合作，研製出高靈敏度深紫外/紅外離子化檢測質譜光譜儀(yi) ；與(yu) 中國科學院半導體(ti) 研究所團隊合作，研製出深紫外激光調製反射光譜儀(yi) 。

從(cong) 2007年一期項目開始，到2023年二期項目驗收，我國科學家自主研製成功16種20台深紫外固態激光源前沿科研儀(yi) 器，覆蓋材料、物理、化學、生命、信息、資環六大領域。

2013年9月，研究人員在操作深紫外激光光化學反應儀(yi) 。理化所供圖

經過兩(liang) 期項目15年的探索，我國深紫外科研儀(yi) 器設備已經初步形成“深紫外晶體(ti) —激光源—前沿裝備—科學研究—產(chan) 業(ye) 化”的自主創新鏈條。

“過去，中國所有大型科研儀(yi) 器設備都得從(cong) 國外進口。如今在深紫外全固態激光源領域，我們(men) 可以獨立自主研發大型科研儀(yi) 器設備了，這極大增強了我國科研人員的信心。”許祖彥說。

一期項目結題驗收會(hui) 上，許祖彥曾在技術總結報告中說：“深紫外激光大型科學裝置是國際首創。我們(men) 用事實證明了中國人有可能、有能力自主創新開發大型科學裝置，我們(men) 今天突破了！”

時至今日，科學家們(men) 探索的腳步並未停止。他們(men) 下一階段的目標之一是推進深紫外固態激光裝置產(chan) 業(ye) 化，研製出更多品種的、包括連續出光的激光器在內(nei) 的深紫外激光源。

在應用方麵，現已84歲的許祖彥有一個(ge) 心願——用深紫外全固態激光裝備，把國際長度計量基準固定下來。隨著製造業(ye) 的發展，測量精度的要求也在不斷提高。早在19世紀初，物理學家就提出以可見波長作為(wei) 長度基準的設想。許祖彥希望二期項目中的鋁離子光頻標設備，能夠利用精準深紫外激光，助力我國“做出中國自己的標準長度，領跑世界”。

如今，深紫外激光這塊處女地已經繁花似錦。麵對無限的應用可能，許祖彥反複說：“大型科學儀(yi) 器的突破絕不可能是一個(ge) 人努力的結果，而是國家、中國科學院、各科研機構共同協作的成果，是集體(ti) 智慧的結晶。無論未來怎樣發展，這一點不會(hui) 變。”