我国科研团队研制新型非线性光学晶体 真空紫外激光输出波长达到新高度

问题:真空紫外波段(一般指200纳米以下)光源先进制造、精密检测、基础研究等领域的需求持续增长。相比体积大、维护复杂的气体放电或电子束装置,全固态真空紫外激光器更紧凑、更稳定,也更便于系统集成。但要让“全固态”真正走向工程应用,关键瓶颈之一是缺少同时具备高透过率、强非线性响应、足够双折射并且可规模生长的新型非线性光学晶体。材料性能直接决定可达波长下限、转换效率、输出能量和长期可靠性,长期以来是技术发展的突出短板。 原因:真空紫外光子能量高、材料吸收强,常见晶体在该波段透过率不足,且容易出现缺陷吸收与光损伤;同时——频率转换依赖相位匹配条件——若晶体双折射不足或色散特性不理想,即便材料透明也难以实现高效倍频输出。更重要的是,晶体还必须“能长、能用”——获得足够尺寸且光学均匀的单晶,并完成器件级加工、镀膜与封装。透明性、非线性、双折射与可生长性往往相互制约,使得在200纳米以下寻找综合性能均衡的材料难度很大。 影响:科研团队研制的氟化硼酸铵(ABF)晶体,为缓解上述矛盾提供了新的材料路径。测试显示,该晶体最短相位匹配输出波长可达158.9纳米,刷新了通过双折射相位匹配技术实现真空紫外激光输出的最短纪录;在直接倍频输出上,也实现纳秒177纳米脉冲能量提升、光光转换效率显著提高等多项突破,综合性能优于现有材料体系。更值得关注的是,团队不仅材料设计上取得进展,还解决了晶体生长与器件加工难题,获得厘米级高光学质量单晶并制备真空紫外倍频器件,使成果从“材料可行”深入迈向“器件可用”,为构建紧凑、高效的全固态真空紫外激光器打下材料与工艺基础。 对策:在技术路线上,团队提出真空紫外非线性晶体的“氟化设计”思路及性能调控机制,并由此创制出以ABF为代表的系列高性能晶体,反映了研究从经验筛选走向机理牵引、从单一指标走向系统统筹的转变。面向工程应用,下一步仍需在稳定生长、缺陷控制、批次一致性、器件封装与长期可靠性等持续提升,并完善晶体生长—加工—器件测试的标准体系。同时,应加强与激光器系统集成单位协同,围绕泵浦源匹配、热管理、抗光损伤阈值评估等环节开展联合攻关,推动材料优势更快转化为整机性能。 前景:真空紫外激光向更短波长、更高效率、更高能量发展,将为超精细加工、微纳结构制备、先进光刻对应的研究、材料表征以及基础物理与化学动力学研究提供更有力的工具。ABF晶体实现更短相位匹配输出波长并取得更优综合指标,显示我国在真空紫外频率转换关键材料领域形成了新的突破点。随着晶体生长规模化能力提升及器件工程化完善,真空紫外光源有望从“可实现”走向“可部署”,并带动相关高端仪器、关键部件与应用体系发展。相关成果发表于国际学术期刊《自然》,也反映我国在前沿光学材料与真空紫外光源方向的原创能力持续增强。

从实验室的晶体样品到具备工程潜力的关键器件,ABF晶体的诞生不仅补齐了我国在极端波长激光关键材料上的短板,也表明了基础研究对核心技术突破的支撑作用。在全球科技竞争加剧的背景下,原创成果的不断出现,正推动我国高端制造与科技创新能力持续跃升。