王曉洋，劉麗娟，李如康

(中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，人工晶體研究發(fā)展中心，中國(guó)科學(xué)院功能晶體與激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

1 引 言

集成電路193 nm光刻技術(shù)和微納精細(xì)加工，超高能量分辨率光電子能譜儀和光電子發(fā)射顯微鏡等先進(jìn)科學(xué)儀器，以及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)研究對(duì)深紫外(一般指波長(zhǎng)短于200 nm)相干光源有著強(qiáng)烈需求。目前，準(zhǔn)分子激光、氣體高次諧波/四波混頻和自由電子激光器等均可產(chǎn)生深紫外相干光源，但是對(duì)上述應(yīng)用而言，準(zhǔn)分子激光器的主要問(wèn)題是光束的線寬、模式達(dá)不到要求，而且工作穩(wěn)定性差，壽命短，操作十分不便；氣體高次諧波/四波混頻激光波長(zhǎng)很難調(diào)諧，效率極低，功率小，設(shè)備體積大，造價(jià)高；自由電子激光器技術(shù)尚不成熟，體積巨大，造價(jià)很高，光源相干性低。因此，如何獲取光束質(zhì)量高，線寬窄(即每個(gè)光子的能量精度高)的實(shí)用化深紫外激光光源成為國(guó)際激光界一個(gè)非常重要的任務(wù)。其中一條有效且可行的技術(shù)途徑是利用目前商業(yè)化的高功率可見(jiàn)、近紅外全固態(tài)激光為基頻光源，通過(guò)非線性光學(xué)晶體的多級(jí)變頻技術(shù)產(chǎn)生深紫外激光。這里的關(guān)鍵問(wèn)題是要發(fā)展深紫外非線性光學(xué)晶體，即能通過(guò)倍頻方法產(chǎn)生深紫外相干光源的非線性光學(xué)晶體。陳創(chuàng)天提出，這類(lèi)晶體從本征性能來(lái)說(shuō)，一般要滿足下述兩個(gè)基本條件：

(1)必須具有短的紫外截止邊；

(2)必須具有較大的雙折射率，從而能實(shí)現(xiàn)寬波段的相位匹配。

這兩個(gè)條件對(duì)于非線性光學(xué)晶體來(lái)說(shuō)是很難滿足的，例如上世紀(jì)60年代以來(lái)發(fā)現(xiàn)的一系列著名非線性光學(xué)晶體KDP(KH2PO4)、LiNbO3、KTP(KTiOPO4)、β-BBO(β-BaB2O4)、LBO(LiB3O5)、CLBO(CsLiB6O10)、都不能同時(shí)滿足上述兩個(gè)要求，因此不能通過(guò)倍頻技術(shù)產(chǎn)生深紫外相干光。當(dāng)然，還可以通過(guò)非線性光學(xué)晶體的和頻方式實(shí)現(xiàn)深紫外激光輸出，但是一來(lái)需要額外引入一個(gè)短波長(zhǎng)激光源(波長(zhǎng)接近200 nm，不易獲得)，二來(lái)大大增加了技術(shù)方案的復(fù)雜性，很難實(shí)用化和商品化。所以，長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)界把獲取200 nm以下的深紫外全固態(tài)激光看作是一道壁壘[1]，但如何突破200 nm壁壘是沒(méi)有把握的，只能等待新的深紫外非線性光學(xué)晶體的出現(xiàn)。

要確定新晶體的上述兩個(gè)性能，必須獲得一定尺寸的單晶，進(jìn)行深紫外透過(guò)率和折射率的精確測(cè)量，才能判斷晶體是否可實(shí)現(xiàn)深紫外諧波光輸出。如果僅通過(guò)新晶體的粉末反射光譜很難確定晶體的紫外截止邊在200 nm以下，而沒(méi)有晶體折射率數(shù)據(jù)則無(wú)法獲知晶體的非線性倍頻性能。理論上說(shuō)，只要得到了準(zhǔn)確的折射率數(shù)據(jù)，就可以判斷出新晶體所能倍頻達(dá)到的理論極限。至于要評(píng)估新晶體的應(yīng)用前景，那么還需生長(zhǎng)出高光學(xué)質(zhì)量大單晶，加工成器件，進(jìn)行多次激光倍頻實(shí)驗(yàn)。所以一個(gè)新晶體從發(fā)現(xiàn)到能實(shí)用化或商業(yè)化，路程十分漫長(zhǎng)，需要艱苦卓絕地長(zhǎng)期探索。非線性光學(xué)晶體發(fā)展了五十余年，到目前為止能取得商業(yè)化應(yīng)用的還只有KDP、LiNbO3、KTP、BBO和LBO等寥寥幾種。近年來(lái)關(guān)于深紫外非線性光學(xué)新晶體的探索非?；馃?，發(fā)現(xiàn)了多種具有深紫外激光輸出潛力的新晶體，如ABF[2]、CBF[3]、ABBF和γ-BBF[4]等，其中γ-BBF的深紫外非線性特性可能要超過(guò)KBBF晶體。但是，這些都有待于生長(zhǎng)出一定尺寸的單晶并通過(guò)進(jìn)一步性能測(cè)試和激光倍頻實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，目前只有KBe2BO3F2(簡(jiǎn)稱KBBF)和RbBe2BO3F2(簡(jiǎn)稱RBBF)晶體可以通過(guò)直接倍頻實(shí)現(xiàn)深紫外激光輸出[5-6]，而KBBF晶體的綜合性能好于RBBF，故我們的研究重點(diǎn)集中于KBBF之上。經(jīng)過(guò)中國(guó)科學(xué)家的努力，KBBF晶體已經(jīng)實(shí)用化。本文介紹KBBF晶體的發(fā)現(xiàn)歷程，晶體生長(zhǎng)，光學(xué)性能和產(chǎn)生深紫外諧波光的能力，以及這些深紫外激光源在先進(jìn)儀器上的最新應(yīng)用成果。

2 KBe2BO3F2(KBBF)晶體的發(fā)現(xiàn)歷程

上世紀(jì)80年代，陳創(chuàng)天課題組成功發(fā)現(xiàn)了BBO[7]和LBO[8]非線性光學(xué)晶體，解決了近紅外激光向可見(jiàn)、近紫外波段的倍頻轉(zhuǎn)換，有力促進(jìn)了激光技術(shù)的發(fā)展。BBO和LBO也被譽(yù)為“中國(guó)牌”晶體，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。但是，這兩種晶體由于基本結(jié)構(gòu)的原因，不能通過(guò)直接倍頻的方法產(chǎn)生深紫外(波長(zhǎng)短于200 nm)諧波光。BBO晶體的主要原因是它的基本結(jié)構(gòu)單元(B3O6)3-基團(tuán)的能隙比較窄，使該晶體的紫外截止邊只能達(dá)到189 nm，限制了此晶體在深紫外光譜區(qū)實(shí)現(xiàn)倍頻光輸出的能力；而LBO晶體的紫外吸收截止邊可達(dá)到150 nm左右，滿足了作為深紫外非線性光學(xué)晶體的第一個(gè)條件，但由于(B3O7)5-基團(tuán)在空間形成一個(gè)(B3O5)n→∝的無(wú)窮鏈，此鏈與Z軸方向的夾角幾乎成45°，從而使該晶體的雙折射率只有0.04～0.05，不能滿足第二個(gè)條件，這么小的雙折射率不能用倍頻方法實(shí)現(xiàn)深紫外諧波光輸出。LBO的同族晶體CBO(CsB3O5)和CLBO(CsLiB6O10)也因同樣的原因不能使用直接倍頻方法實(shí)現(xiàn)深紫外諧波光輸出。

圖1 KBBF晶體的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of KBBF crystal

有鑒于此，在上世紀(jì)80年代至90年代陳創(chuàng)天基于非線性光學(xué)晶體的陰離子基團(tuán)理論，提出在無(wú)對(duì)稱中心的硼酸鹽中優(yōu)選(BO3)3-基團(tuán)為結(jié)構(gòu)單元來(lái)探索深紫外非線性光學(xué)晶體，其主要條件是： (BO3)3-密度盡量大且排列一致，以產(chǎn)生較大倍頻系數(shù)[9]；(BO3)3-互相連接組成共平面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以獲得大的雙折射率[10]；(BO3)3-終端氧懸掛鍵必須被除去[11]。其時(shí)作為陳創(chuàng)天學(xué)生的本文作者之一提出，如果終端氧與鈹?shù)仍咏Y(jié)合，形成鈹硼酸鹽，其在所有硼酸鹽中將具有最短的紫外吸收截止波長(zhǎng)，是真空紫外非線性光學(xué)晶體材料的最佳候選者[12]，在此基礎(chǔ)上，在無(wú)機(jī)化合物數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)現(xiàn)由前蘇聯(lián)科學(xué)家Batsanova等報(bào)道的KBe2BO3F2(KBBF)單晶結(jié)構(gòu)滿足上述結(jié)構(gòu)要求[13]。如圖1所示，KBBF晶體屬單軸晶系，R32空間群，單胞參數(shù)為：a=0.4427(4) nm,c=1.8744(9) nm,Z=3，(BO3)3-基團(tuán)排列一致，形成(Be2BO3F2)六元環(huán)基本結(jié)構(gòu)單元，組成共平面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其后陳創(chuàng)天學(xué)生夏幼南等通過(guò)該化合物的合成，粉末倍頻效應(yīng)測(cè)試，晶體生長(zhǎng)，單晶結(jié)構(gòu)測(cè)定、各種光學(xué)性能測(cè)試等，于1995年宣布KBBF晶體是一個(gè)可通過(guò)倍頻方法實(shí)現(xiàn)深紫外諧波光輸出的深紫外非線性光學(xué)晶體[14-15]，并預(yù)言有可能實(shí)現(xiàn)Nd離子激光的六倍頻177.3 nm諧波光輸出。

1995年，陳創(chuàng)天等詳細(xì)地測(cè)定了KBBF晶體的可相位匹配特性，和許祖彥合作，在國(guó)際上首次使用倍頻方法，獲得了184.7 nm深紫外相干光輸出，并又一次預(yù)言KBBF晶體能夠?qū)崿F(xiàn)Nd離子激光的六倍頻177.3 nm諧波光輸出[16]。這是通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，經(jīng)KBBF非線性光學(xué)晶體的倍頻是可以輸出深紫外相干光輸出的，從而首次突破了全固態(tài)激光200 nm的壁壘，也證實(shí)了KBBF是一個(gè)深紫外非線性光學(xué)晶體。

3 KBBF晶體生長(zhǎng)

在確立了KBBF晶體的深紫外倍頻特性后，隨之而來(lái)面臨的一個(gè)難題是如何攻克晶體生長(zhǎng)難題，獲得大尺寸單晶。KBBF為非同成分熔融化合物，可以用助熔劑法和水熱法兩種方法來(lái)生長(zhǎng)晶體。觀察KBBF單胞結(jié)構(gòu)如圖1所示，單胞中(Be2BO3F2)沿a-b平面無(wú)限延伸，構(gòu)成層狀結(jié)構(gòu)；層間依靠F-離子和K+離子的弱靜電引力相連，因此KBBF具有很強(qiáng)的層狀習(xí)性，在生長(zhǎng)上表現(xiàn)為沿Z軸(即c軸)方向很難長(zhǎng)厚，一般只能獲得薄片狀晶體，厚度僅0.3 mm左右；在力學(xué)性能上表現(xiàn)為晶體沿a-b平面解離特別嚴(yán)重，無(wú)法沿相位匹配方向切割加工成器件。

圖2 熔劑法生長(zhǎng)的KBBF晶體[18]Fig.2 As-grown KBBF crystal using flux method[18]

此外，KBBF晶體還有一個(gè)特殊的生長(zhǎng)習(xí)性，即很難引入籽晶在其上生長(zhǎng)，而只能采用自發(fā)成核生長(zhǎng)技術(shù)。經(jīng)過(guò)近20年的努力，晶體生長(zhǎng)不斷取得突破。陳創(chuàng)天和和山東大學(xué)晶體所合作，2002年得到了1.8 mm厚的大塊KBBF單晶[17]；我們繼而發(fā)展了一種“局域自發(fā)成核生長(zhǎng)技術(shù)”，保證了初始成核大概率為單核，減少了晶體生長(zhǎng)過(guò)程中自發(fā)成核的數(shù)目，使得最終長(zhǎng)成的晶體幾乎近于一塊大單晶[18]，如圖2所示，只是在邊緣附著一些次生成核生長(zhǎng)的小晶體；同時(shí)通過(guò)調(diào)整縱向溫度梯度，增大了晶體厚度，沿c軸方向厚度突破了4 mm。但是，由于晶體的嚴(yán)重解離習(xí)性，仍舊不能進(jìn)行斜切割加工，后文敘述的棱鏡耦合技術(shù)目前仍是KBBF晶體實(shí)用化的唯一可行方法。

圖3 水熱法生長(zhǎng)的KBBF晶體Fig.3 As-grown KBBF crystal using hydrothermal method

圖4 水熱法KBBF晶體中的兩種結(jié)構(gòu)Fig.4 Two structures in KBBF crystal using hydrothermal method

圖5 KBBF晶體棱鏡耦合器件的原理圖Fig.5 Schematic diagram of KBBF prism coupled device

4 KBBF晶體棱鏡耦合技術(shù)

如前所述，KBBF晶體有嚴(yán)重的層狀習(xí)性，表現(xiàn)為非常容易沿著a-b平面解理。而一般非線性光學(xué)晶體的相位匹配方向都不是沿著主軸方向，需要斜切割加工成器件。KBBF晶體進(jìn)行切割時(shí)就解理了，且越厚的晶體越容易解理。

還有一種不用切割加工器件實(shí)現(xiàn)相位匹配的方法，所謂的“斜入射”法。就是讓基頻光斜入射到非線性光學(xué)晶體里面，調(diào)整入射角大小使得晶體中的通光方向正好是相位匹配方向。對(duì)于KBBF晶體，也可以如法炮制，但是這種方法的缺點(diǎn)是對(duì)于過(guò)大的相位匹配角無(wú)法滿足。而一般來(lái)說(shuō)，倍頻光波長(zhǎng)越短，相位匹配角越大。經(jīng)過(guò)計(jì)算，對(duì)于KBBF晶體，斜入射最多只能滿足實(shí)現(xiàn)235 nm倍頻光輸出，這是由界面兩側(cè)的媒介(空氣和晶體)的折射率決定的，對(duì)于要輸出更短的波長(zhǎng)，就無(wú)能為力了，但是KBBF晶體的優(yōu)勢(shì)卻恰恰是輸出短波長(zhǎng)倍頻光。

為了解決上述困難，陳創(chuàng)天和許祖彥受斜入射原理的啟發(fā)，想到可以改變?nèi)肷浣沁@一側(cè)的媒介，提出了一種棱鏡耦合技術(shù)(KBBF prism-coupled technique)[23]，如圖5所示，使用折射率和KBBF接近且能透過(guò)深紫外光的材料(如紫外熔融石英或氟化鈣晶體)，和KBBF晶體前后表面實(shí)現(xiàn)光膠，其中棱鏡的角度是相位匹配角。這樣不用沿相位匹配角切割KBBF晶片即可實(shí)現(xiàn)相位匹配。這一技術(shù)對(duì)此晶體的實(shí)際應(yīng)用起到了重要的作用。

如此做出的棱鏡耦合器件(prism-coupled device，簡(jiǎn)稱PCD)，有一個(gè)缺點(diǎn)是多出了2個(gè)光膠界面，激光在光膠面上的損耗還比較大，直接影響了器件在大功率激光系統(tǒng)中的應(yīng)用。為此我們又提出了發(fā)展第二代深度光膠棱鏡耦合器件，即通過(guò)在晶體及棱鏡表面鍍過(guò)渡層后再進(jìn)行光膠，可以有效去除接觸面的雜質(zhì)和縫隙，實(shí)現(xiàn)更緊密的光膠，有利于提高器件的透過(guò)率和抗激光損傷閾值。

到目前為止，有效的深紫外激光輸出都是基于KBBF棱鏡耦合器件實(shí)現(xiàn)的。

5 KBBF晶體的光學(xué)性質(zhì)和深紫外倍頻光輸出

KBBF晶體具有很寬的透光范圍，其紫外截止邊為150 nm，在目前所有非線性光學(xué)晶體中，它具有最短的紫外截止波長(zhǎng)，紅外截止邊達(dá)3.5 μm。我們使用最小直角棱鏡偏轉(zhuǎn)角方法，精確測(cè)量了晶體在可見(jiàn)光及紅外區(qū)域的no和ne。進(jìn)一步使用KBBF Ι類(lèi)倍頻相匹配角數(shù)據(jù)，擬合出KBBF晶體在整個(gè)透過(guò)光譜區(qū)的折射率色散方程，據(jù)此可計(jì)算出KBBF晶體在170～700 nm倍頻波長(zhǎng)的相位匹配角，其最短倍頻輸出波長(zhǎng)達(dá)到161 nm，這是目前利用非線性光學(xué)晶體的直接倍頻可獲得的最短倍頻波長(zhǎng)[24]。

但是，近幾年隨著人們利用KBBF晶體實(shí)現(xiàn)更短波長(zhǎng)激光輸出，發(fā)現(xiàn)根據(jù)上述方程計(jì)算的匹配角和實(shí)際情況出入較大，例如用和頻實(shí)現(xiàn)149.8～158.1 nm輸出，實(shí)際匹配角會(huì)比理論計(jì)算值大3°～4°，這說(shuō)明原先的方程在靠近紫外截止邊處不準(zhǔn)確。我們利用先前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)展了極化率的雙共振模型，導(dǎo)出了一個(gè)新的折射率色散方程(波長(zhǎng)單位：μm)[25]：

根據(jù)上述方程計(jì)算出的相位匹配角，和到目前所能實(shí)現(xiàn)的最短倍頻波長(zhǎng)165 nm的實(shí)驗(yàn)值，都符合得很好。進(jìn)而，和通過(guò)和頻(鈦寶石激光的五倍頻)實(shí)現(xiàn)的波長(zhǎng)短到149.8 nm的深紫外激光輸出的匹配角實(shí)驗(yàn)值，也符合的很好。說(shuō)明新的折射率方程所暗含的物理機(jī)制是符合KBBF晶體的實(shí)際情況的，對(duì)短波長(zhǎng)輸出有重要的指導(dǎo)作用。

與BBO和LBO等晶體相比，KBBF晶體也具有較大的熱導(dǎo)率(LBO∶3.5 W/mK，KBBF∶～2.5 W/mK(沿a-b平面))，表明該晶體具有很高的激光損傷閾值。例如，使用Nd∶YAG激光(1064 nm,80 ps,1 kHz)，該晶體的光損傷閾值高達(dá)900 GW/cm2和72 J/cm2，比在相同條件下BBO晶體的抗激光損傷閾值大了將近一個(gè)數(shù)量級(jí)。另一個(gè)數(shù)據(jù)是在基頻光波長(zhǎng)為390 nm，脈寬200 fs，重頻1 kHz的激光輻照下，測(cè)得KBBF的損傷閾值也高達(dá)60 GW/cm2。

KBBF晶體在倍頻光輸出方面還創(chuàng)造了幾個(gè)首次：2003年首次實(shí)現(xiàn)了ps脈寬80 MHz重頻的Nd- YVO4激光六倍頻177.3 nm有效功率2.5 mW輸出[26]，這一毫瓦量級(jí)的輸出功率完全可以滿足先進(jìn)儀器對(duì)深紫外激光源功率的需求，已經(jīng)成功應(yīng)用于超高分辨率光電子能譜儀等先進(jìn)儀器上；首次實(shí)現(xiàn)了鈦寶石激光的直接四倍頻，并實(shí)現(xiàn)了寬調(diào)諧輸出，將輸出波長(zhǎng)擴(kuò)展至170～232 nm[27]。

激光技術(shù)的發(fā)展方向可以概況為更高功率，更短波長(zhǎng)，以及多種運(yùn)轉(zhuǎn)方式(從脈沖到連續(xù)波)。下面重點(diǎn)介紹KBBF晶體產(chǎn)生深紫外激光的最新進(jìn)展。

圖6 (a) 深度光膠KBBF棱鏡耦合器件示意圖[28];(b)銅制棱鏡耦合器件水冷套[28]Fig.6 (a)Schematic of the deep-bonding KBBF-PCD[28];(b)Copper water-cooled holder of KBBF-PCD[28]

圖7 (a)177.3 nm倍頻光的輸出功率(圓圈)，理論值分別為實(shí)線(晶體有吸收)和 虛線晶體無(wú)吸收[28]；(b)轉(zhuǎn)換效率[28]Fig.7 (a) The 177.3 nm output power as a function of the input power (open circles)；theoretical output values are shown as the solid line (with absorption) and the dashed line (without absorption), respectively[28];(b)The conversion efficiency versus the 354.7 nm power[28]

近年來(lái)，隨著KBBF晶體質(zhì)量和厚度的改進(jìn)，以及激光熱管理技術(shù)的提高，六倍頻的輸出功率不斷提高。2015年，我們發(fā)展了深度光膠棱鏡耦合技術(shù)，如圖6(a)所示，在棱鏡和KBBF晶體之間增加了SiO2過(guò)渡層，界面的結(jié)合力更牢固，使得器件的抗激光損傷閾值提高3倍；又設(shè)計(jì)了水冷的KBBF棱鏡耦合器件，實(shí)物照片見(jiàn)圖6(b)；如圖7所示，實(shí)現(xiàn)了200 mW的177.3 nm激光輸出，轉(zhuǎn)換效率2.05%。穩(wěn)定輸出功率達(dá)到72 mW[28]。

在最短倍頻波長(zhǎng)方面，宗楠等從一個(gè)1319 nm 的納秒Nd∶YAG基頻激光系統(tǒng)出發(fā)，逐級(jí)倍頻實(shí)現(xiàn)了八倍頻165 nm的激光輸出[29]，光路示意圖如圖8，前級(jí)用了2塊LBO晶體，最終用特殊設(shè)計(jì)的KBBF棱鏡器件。作為對(duì)比，圖8還給出了該特殊設(shè)計(jì)棱鏡耦合器件實(shí)物圖，其后棱鏡采用了布儒斯特角切割，使得倍頻光能近于100%輸出。實(shí)現(xiàn)短波長(zhǎng)有效輸出還依賴于KBBF晶體的光學(xué)質(zhì)量尤其是短波長(zhǎng)區(qū)域的透過(guò)率，圖9(a)顯示厚度1.05 mm的KBBF晶體在165 nm處的透過(guò)率達(dá)到了60%[5]。最終倍頻到165 nm，功率輸出如圖9所示，達(dá)到2.14 mW。截止到目前，這是通過(guò)直接倍頻所實(shí)現(xiàn)的最短波長(zhǎng)輸出。這個(gè)深紫外激光源已經(jīng)用于高分辨角分辨激光光電子能譜儀(ARPES)，還可用于拉曼光譜儀。

圖8 光路示意圖[29]和特殊設(shè)計(jì)的棱鏡耦合器件Fig.8 Schematic diagram of frequency conversion system for the output of 165 nm[29] and KBBF-PCD

圖9 (a) 1.05 mm厚度的KBBF晶體透過(guò)率[5]；(b)八倍頻165 nm輸出達(dá)到2.14 mW[29]Fig.9 (a)Transmission spectrum of a 1.05 mm-thick KBBF crystal[5]； (b)2.14 mW output of 165 nm by EHG of 1319 nm laser[29]

在最短和頻波長(zhǎng)方面，Watanabe組利用我們十幾年前提供的2個(gè)KBBF棱鏡耦合器件，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率6 KHz的鈦寶石激光的五倍頻連續(xù)輸出，光路示意圖見(jiàn)圖10，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖11，其最短輸出波長(zhǎng)小于150 nm，達(dá)到了149.8 nm，這是到目前為止通過(guò)非線性光學(xué)晶體實(shí)現(xiàn)的最短變頻輸出[30]。同時(shí)也說(shuō)明，某些KBBF晶體的紫外吸收截止邊是可以小于150 nm的；從圖11還可以看到，該五倍頻在154 nm處的輸出功率達(dá)到110 μW，已經(jīng)足夠用于高分辨率角分辨光電子能譜儀(ARPES)。

圖10 鈦寶石激光五倍頻光路示意圖[30]Fig.10 Schematic diagram of frequency conversion system[30]

圖11 (a) 鈦寶石激光四倍頻輸入功率和五倍頻輸出功率[30]；(b)五倍頻功率和四倍頻功率比值[30]Fig.11 (a)The 5ω output power and the 4ω input power[30]；(b)the ratio of the 5ω output power to the 4ω input power[30]

在最高輸出功率方面，Watanabe組和我們合作，采用重復(fù)頻率5 kHz，脈寬340 ps的鈦寶石激光器，當(dāng)中心波長(zhǎng)調(diào)節(jié)至774 nm時(shí)，通過(guò)KBBF棱鏡耦合器件實(shí)現(xiàn)了四倍頻193 nm諧波光輸出，最高輸出功率達(dá)1.05 W[31]，這預(yù)示著在工業(yè)界應(yīng)用的前景。眾所周知，193 nm激光源在光刻技術(shù)上有重要應(yīng)用前景，例如基于KBBF棱鏡耦合器件的瓦級(jí)193 nm全固態(tài)深紫外激光源可用于準(zhǔn)分子激光的脈沖種子光源，研制下一代高光束質(zhì)量的百瓦級(jí)193 nm準(zhǔn)分子激光器，這對(duì)于光刻技術(shù)的發(fā)展具有革命性的意義。

6 深紫外激光在先進(jìn)儀器上的應(yīng)用

深紫外全固態(tài)激光源是基于KBBF晶體的發(fā)現(xiàn)而發(fā)展的。經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，KBBF晶體生長(zhǎng)已經(jīng)獲得很大突破，棱鏡耦合器件制作水平也不斷提高，KBBF晶體棱鏡耦合器件正在從實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嵱没蜕唐坊l(fā)展。目前已經(jīng)可以穩(wěn)定獲得mW量級(jí)平均功率輸出的177.3 nm及短于200 nm可調(diào)諧激光源，滿足了各類(lèi)先進(jìn)儀器的需求。以用于光電子能譜儀光源來(lái)說(shuō)，深紫外全固態(tài)激光和通常的同步輻射光源和氦氣體放電光源(主要是He燈的Iα線)相比，具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)在：

(1)每個(gè)光子的能量分辨率高，可直接觀察到超導(dǎo)能隙和Cooper電子對(duì)的形成。

(2)光子流強(qiáng)度大，比通常的同步輻射光源和He燈光源高3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。

(3)可測(cè)量材料的固體體內(nèi)電子態(tài)。

我國(guó)科學(xué)家利用基于KBBF棱鏡耦合器件的深紫外全固態(tài)激光源自主研發(fā)了包括深紫外激光光電子能譜儀、深紫外激光光發(fā)射電子顯微鏡，深紫外激光拉曼光譜儀等在內(nèi)的9類(lèi)先進(jìn)儀器，使這類(lèi)儀器的分辨率成數(shù)量級(jí)的提高。物理學(xué)家應(yīng)用這些先進(jìn)儀器，開(kāi)展了包括高溫超導(dǎo)體﹑石墨烯等材料的研究，發(fā)現(xiàn)了很多新的物理現(xiàn)象，取得了很多重要的研究成果。中科院物理所周興江組建立了包括角分辨、自旋分辨、光子能量連續(xù)可調(diào)和飛行時(shí)間分析器等系列的深紫外激光光電子能譜儀，并做出了很好的研究。僅舉兩例在高溫超導(dǎo)體方面的最新研究進(jìn)展。例如：

物理所周興江組在FeSe超導(dǎo)體中，觀測(cè)到極其各向異性的超導(dǎo)能隙對(duì)稱性；Γ點(diǎn)的空穴型費(fèi)米面主要由dxz軌道組成，直接證明了在FeSe中的超導(dǎo)電性來(lái)源于dxz軌道的電子配對(duì)；同時(shí)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)能隙對(duì)稱性和dxz軌道的譜重成反比關(guān)系。以上工作對(duì)理解鐵基超導(dǎo)體中的向列相和超導(dǎo)的起源提供了新的啟示[32]。此外，還首次觀測(cè)到了包含ZrTe5導(dǎo)帶和價(jià)帶的電子結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)得到的溫度誘導(dǎo)Lifshitz相變現(xiàn)象可以直接解釋ZrTe5的輸運(yùn)性質(zhì)，全面討論了ZrTe5的拓?fù)浔举|(zhì)，認(rèn)為ZrTe5從高溫到低溫是弱拓?fù)浣^緣體，有向強(qiáng)拓?fù)浣^緣體轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。為以后的相關(guān)研究提供了強(qiáng)有力的證據(jù)[33]。

深紫外全固態(tài)激光源在未來(lái)還將在若干基礎(chǔ)研究領(lǐng)域發(fā)揮核心作用，例如科學(xué)家提出利用太瓦深紫外激光源產(chǎn)生阿秒激光脈沖的新方法；利用KBBF棱鏡耦合器件產(chǎn)生的167 nm激光源進(jìn)行Al離子冷卻，用于離子時(shí)鐘定標(biāo)，使測(cè)量精度從10-16秒提高到10-18秒。由于KBBF晶體的重要性，Nature期刊專(zhuān)門(mén)寫(xiě)了一篇文章，以“中國(guó)的晶體秘藏(China’s crystal cache)”為題，介紹了KBBF晶體的發(fā)展[34]。

7 結(jié) 論

KBBF晶體從最初的發(fā)現(xiàn)到今天的成功應(yīng)用，歷經(jīng)近30年，從攻克晶體生長(zhǎng)難關(guān)﹑確定各項(xiàng)非線性光學(xué)性能，到開(kāi)發(fā)實(shí)用化的棱鏡耦合器件，成功應(yīng)用于光電子能譜儀等先進(jìn)科學(xué)儀器，傾注了眾多研究者的心血。我們相信，KBBF晶體作為一種實(shí)用化的深紫外非線性光學(xué)晶體，將來(lái)必將得到更廣闊的應(yīng)用。