中国掌握的这一技术,美国花了15年才打破封锁

  出品 | 网易新闻

  作者 | 天地流皓,浙江大学材料科学博士

  在许多网友的印象中,中国各领域里的高端仪器设备,不是山寨的就是进口的,似乎没什么可以拿得出手的。

  其实,可能很多人不知道,有一类设备全世界却只有中国造出来了,这就是深紫外全固态激光器(DUV-DPL)。2013年9月,16台国际首创新型深紫外激光科研装备通过验收,中国成为全球唯一能够制造实用化深紫外全固态激光器的国家。

  深紫外全固态激光器是什么东东?这些仪器究竟有什么用?接下来我们一一道来。

  (一)它能用来制造光刻机,还能让我们将世界看得更清晰

  光是无处不在又令人着迷的,从古希腊时代到量子力学到现代激光,不论在理论还是应用上都取得了丰富的成果。

  古语云工欲善其事,必先利其器,现代科学技术的进步越来越依靠科研装备的创新和发展,而且科研装备的重大突破,往往会催生新的科研领域,产出重大创新成果。

  有人统计过,迄今为止,至少有1/3的诺贝尔物理学奖和化学奖授予了那些在测试仪器和实验方法方面有重要突破性创新的科学家,这也侧面说明了创新型科研装备研制的重要性。

  中学时代我们便知道有光学显微镜、望远镜等等光学仪器,这些一般是利用可见光作为光源的。那么,在可见光之外,有没有其他光源可以为我们所用,制造出更高大上的仪器装备呢?当然有,深紫外光源就是其中之一。

  我们都知道,光是一种电磁波,根据波长从短到长,光可以分为紫外光、可见光和红外光,那么深紫外光又是什么呢?一般情况下,科学家把波长小于200 纳米的电磁波就叫做深紫外光(DUV),也被称为真空紫外。

中國掌握的這一技術,美國花了15年才打破封鎖

  (电磁波频谱示意图)

  高中物理知识告诉我们光具有波粒二象性,即光既是波也是粒子,那么从波的角度来说,由于存在衍射极限,光的波长越短,其可以达到的分辨率也越高;从粒子角度来说,光的波长越短单个光子的能量越高。

  举例来说,目前还有很多材料的精细特征不为人知,因为这些材料只在深紫外波段才吸收光子,所以,科学家们只有拥有了实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,近几年常常出镜的“拦路虎”光刻机所需要的光源也是深紫外光源,因为波长越短光刻机的分辨力也越高。

  (二)深紫外激光源要怎么产生?这是一个问题

  刚才我们说到,制造芯片所用的光刻机已经用上了深紫外光源,那么为什么还说中国是第一个制造出深紫外全固态激光源(DUV-DPL)的国家呢?

  这就要立足“全固态”,这三个字特别关键。

  我们常说条条大路通罗马,实现一个目标的路往往不止一条,同样地,实现深紫外光源的途径也不只全固态激光源这一种办法。

  过去我们主要采用同步辐射和气体放电等非相干光源,同步辐射装置是一种大科学装置,结构十分复杂,维护成本异常高昂,几乎不可能在实验室灵活使用,而且,它们还存在无解的缺陷,包括分辨率、光子流密度等关键指标远远落后深于深紫外全固态激光源。

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  (深紫外全固态激光源和常用的深紫外光源对比)

  而目前光刻机上使用的激光源是准分子激光器,主要是氟化氩(ArF,193纳米)准分子激光和氟气(F2,157纳米)准分子激光两种。准分子激光光源光束质量差、稳定性差、技术复杂、气体有毒且一次充气的寿命很短。

  上面说到目前成熟的深紫外光源都存在难以克服的缺点,所以同步辐射和气体放电、准分子激光器等在制备精密实用化深紫外激光源装备中早早出局,所以深紫外全固态激光源便成为了独苗苗。

  普通的可见或近红外固体激光是通过介质受激辐射过程产生的,固态深紫外激光源是不是也可以直接通过受激辐射过程产生呢?令人遗憾的是不行。

  由于激光介质需要采用比发射波长短的光来抽运激发,例如要得到200纳米的激光,你就需要用小于200纳米的光去抽运,这显然是不现实的。而且,波长越短的激光需要的抽运速率越快,这一点也是相当难实现的。

  所以,国外有学者认为200纳米是固体激光的一道坎,即深紫外固态激光几乎不可能实现。

  那么中国这个全固态深紫外激光源是怎么实现的呢?这就要提到非线性光学这一概念了。

  在激光发明之前,介质对弱光束的响应都是线性关系,激光横空出世之后,科学家们发现介质对光束的响应还能有非线性关系,这就产生了非线性光学这一新的学科。

  简单地来说,就是一束光照射到非线性材料中频率可以加倍,两束光照射进非线性材料中得到的新光束频率可以是两者的和或差,听着是不是觉得简直黑科技?

  利用非线性光学的原理,就可以把可见或者近红外的固体激光“变频”为深紫外激光了。

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  (非线性的倍频、和频和差频效应)

  (三)制造深紫外固态激光装备,没那么简单

  原理的问题解决了,那是不是制造深紫外固态激光源装备就手到擒来了呢?并不是。有三道坎摆在全世界科学家面前。

  1、非线性光学晶体材料难得

  目前唯一能够在深紫外光谱区产生有效输出的是一种称作氟代硼铍酸钾 KBe2BO3F2(KBBF)的非线性晶体,而非线性晶体又是能够产生深紫外的核心基础。

  在非线性光学晶体方面,中国早在80年代便早早布局,中科院陈创天院士在相继发明BBO(偏硼酸钡)晶体和LBO(三硼酸锂)晶体两种“中国牌晶体”后,基于对硼酸盐体系中结构和性能关系的多年研究,发现了KBBF晶体是完美的、可用于深紫外波段的非线性晶体。

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  (陈创天院士和他发明的KBBF晶体。注:陈院士于2018年10月31日逝世,永远怀念)

  正当准备将KBBF单晶用于深紫外激光源中大展身手的时候,却发现KBBF晶体特性是层状结构,沿厚度方向很难生长,刚开始只能生长到0.3 毫米厚,而厚度必须超过1.0 毫米才能达到实际应用条件。

  花了将近10年时间,这一问题终于得以解决,目前KBBF单晶已经可以生长到4.1 毫米厚,并且可以小批量生产。

  曾经有一则画风清奇的新闻报道说美国历经15年研究终于在2016年时打破中国激光晶体禁运封锁,这则新闻让人感慨万千,毕竟大多数时候几乎全是美国及其盟友以各种借口对中国高科技禁运封锁。

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  (Nature报道中国对激光晶体的禁运)

  2、激光晶体加工难

  有了大尺寸的KBBF晶体之后,制造深紫外激光源仍然很难。

  刚才我们提到过,KBBF晶体是层状结构,不仅难长厚,加工也很困难。要想使用KBBF晶体必须要按照特定的匹配角来切割,对于层状结构的KBBF这几乎是不可能的。

  于是中国科学家另辟蹊径,想到了巧妙的KBBF-氟化钙棱镜耦合办法,通过光路设计达到相位匹配,避免了对KBBF晶体的后续切割处理。

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  (左边为KBBF-氟化钙晶体的棱镜耦合原理,右图为耦合器件的实物照片)

  利用这一技术,中国在国际上首次实现了常用的1064纳米激光的6倍频输出,达到177.3 纳米,跨过了200 纳米的门槛,这一棱镜耦合技术已经获得了中美日专利。

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  (首次通过1064纳米激光六倍频产生177.3 纳米激光的光路示意图)

  后面,中国科学家继续突破了波长非线性调控和光束指向精确补偿等技术,实现平均功率 4 毫瓦长时间稳定输出,175—210 纳米调谐范围内调谐精度优于0.25纳米,指向精度优于20 微弧度角(μrad)的深紫外激光源,使中国成为世界上唯一掌握精密化、实用化深紫外全固态激光技术的国家。

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  (左为177.3 纳米固定波长深紫外全固态激光源,右为175-210 纳米可调谐波长深紫外全固态激光源)

  3、装备研制挑战大

  有了合适的深紫外激光光源之后,如何很好地集成在所需的前沿装备上也是一个挑战。

  首先,不同的装备功能不同,所需要的激光源也不一样,等于每一台装备都需要定制化;其次,这类前沿装备研制是一个交叉面广、跨度很大和工程性很强的项目,需要很多单位合作,涉及到大型项目组织管理;最后,由于中国在尖端仪器研制上较为落后,经验欠缺,需要补的课程还很多。

  经过数十年的持续努力攻关,截至目前中国科学家已经研制成功12种16台基于深紫外固态激光源的前沿装备,包括深紫外光电子能谱仪、光化学反应仪、光致发光谱仪、拉曼光谱仪等,这一系列装备不仅是目前全球唯一能够实用化的装备,而且性能极为优异,很多指标有了量级的提升。

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  (已研制成功装备代表,左为光子能量连续可调深紫外激光光电子能谱仪,右为深紫外激光光化学反应仪)

  结语

  利用研制成功的装备,短短几年间我们已经在高温超导、拓扑绝缘体、超宽禁带半导体、光刻等领域取得一系列优秀的成果,在Nature等国际顶级期刊发表论文27篇,申请专利51项,使中国在这一领域科研水平处于国际领先地位。

  而且,中国科学家没有坐等别人追赶,最近又设计合成了一种性能更优的新型无铍深紫外晶体材料RABF。在未来的深紫外领域,中国必将百尺竿头更进一步,取得更辉煌的成就。

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  编辑| 史文慧

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