问题:真空紫外激光因波长极短、光子能量高,在先进光刻与微纳加工、超快光谱与物质结构探测、表面与界面研究等领域具有不可替代的作用。
但在工程应用层面,如何稳定、可控地产生200纳米以下特别是更短波段的激光,一直受限于关键晶体材料的供给与性能瓶颈。
材料既要具备强非线性光学效应与良好的透过特性,又要满足可生长、可加工、可规模化等要求,这一矛盾长期制约更短波长真空紫外激光技术向装置化、系统化推进。
原因:业内普遍认为,产生真空紫外激光需要特定的非线性光学晶体完成高效倍频或和频过程。
过去,中国科学院院士陈创天等创制的氟代硼铍酸钾(KBBF)晶体,被国际公认为里程碑式材料,长期是能够稳定获得200纳米以下激光的实用晶体之一。
但随着更短波段需求日益增长,传统材料在综合性能与应用适配性方面的局限逐渐显现:一方面,面向更短波长需要更高的能带结构与更低的吸收损耗;另一方面,材料生长难度、结构稳定性与器件集成需求又提出更严苛的工程指标。
解决“功效强”与“易生长”难以兼顾的难题,成为该领域持续攻关的关键环节。
影响:此次研究中,潘世烈团队提出真空紫外非线性光学晶体的氟化设计及性能调控新思路,成功创制出氟化硼酸铵(ABF)晶体,并实现波长158.9纳米真空紫外激光输出,达到创纪录的超短波长水平。
相关成果于29日在线发表于《自然》杂志。
业内人士指出,这一进展不仅在指标上实现突破,更重要的是提供了一条可借鉴的材料设计路径,为后续拓展更短波段、更高效率、更强稳定性的全固态真空紫外光源奠定基础。
若能在器件化方面持续推进,真空紫外激光有望从“实验室可实现”进一步走向“工程化可应用”,从而增强我国在相关高端光源与关键材料领域的竞争优势。
对策:科研团队表示,下一步将围绕晶体生长工艺优化、器件性能提升以及配套激光器装置研发开展工作。
业内普遍认为,要把材料突破转化为系统能力,还需在多环节协同发力:其一,完善晶体生长与质量控制体系,提升大尺寸、高均匀性晶体制备能力,降低缺陷与吸收损耗;其二,面向应用场景优化光学元件加工与封装方案,提升稳定性、寿命与重复性;其三,加强与激光系统集成、精密制造、基础研究用户的需求对接,推动从样机验证到标准化测试与示范应用的闭环。
同时,在真空紫外波段,光学窗口、反射/透过镀膜、真空环境与污染控制等配套技术同样关键,需要跨学科联合攻关。
前景:从产业和科研需求看,面向更短波长、更高能量密度的真空紫外光源,将在高端制造、材料科学、化学反应动力学、生物分子探测等方面拓展新的研究与应用边界。
全固态方案若能实现紧凑化、高效率与稳定运行,将有利于降低系统复杂度与运维成本,推动相关装备从大型设施走向更多实验室与应用端。
ABF晶体的出现,意味着真空紫外非线性光学晶体的材料谱系有望进一步丰富,也为我国保持并巩固在该方向的先发优势提供新的支点。
随着生长技术、器件工艺和系统工程不断成熟,相关成果有望在更广泛场景中释放效能,带动上游材料制备、中游器件与激光系统、下游应用验证的协同发展。
从KBBF到ABF,我国真空紫外激光晶体材料的发展历程充分体现了基础研究的重要性和创新的力量。
这一突破不仅是材料科学领域的重要进展,更是我国科技自主创新能力的生动体现。
面向未来,如何将这一材料优势转化为产业优势,如何在激光器件和应用系统上实现进一步突破,将成为摆在科研工作者面前的新课题。
可以预见,随着ABF晶体技术的不断完善和推广应用,我国在精密制造、前沿科研等战略性领域的竞争力将进一步增强。