我国科研团队成功研制新型非线性光学晶体 真空紫外激光输出波长创新纪录

问题:真空紫外波段激光在高端制造、精密检测、先进光谱分析等领域具有独特价值,但长期以来,获得高效率、可工程化的全固态真空紫外激光输出并不容易。

制约核心之一在于关键材料——非线性光学晶体的综合性能不足:既要在真空紫外区具备高透过性,又要具备足够强的非线性响应以实现频率转换,同时还需具备较大的双折射以满足相位匹配条件,并能稳定生长出大尺寸、高光学质量晶体,便于器件加工与系统集成。

多重指标往往相互牵制,导致材料选择空间有限,器件性能提升面临瓶颈。

原因:从光学机理看,真空紫外激光多依赖倍频、和频等非线性过程实现,而相位匹配是提高转换效率、拓展输出波长的关键条件。

传统材料在真空紫外吸收边、晶体缺陷控制、双折射强度与非线性系数平衡等方面存在限制,难以在更短波长区域实现稳定、高效输出。

与此同时,真空紫外波段对晶体纯度、缺陷与加工表面质量高度敏感,微小缺陷就可能带来吸收增加、损伤阈值下降和效率波动,使“材料可用”与“器件可用”之间出现明显落差。

这些因素叠加,使得面向全固态、紧凑化真空紫外光源的材料创新成为国际竞争焦点与技术难点。

影响:此次研究提供了具有突破意义的材料与器件方案。

潘世烈团队研制的新型非线性光学晶体氟化硼酸铵(ABF),最短相位匹配输出波长达到158.9纳米,创造了通过双折射相位匹配技术获得真空紫外激光最短输出波长的新纪录,体现了材料设计对极短波段输出能力的直接支撑。

更重要的是,团队不仅提出真空紫外非线性晶体的氟化设计与性能调控思路,还在晶体生长与器件加工方面实现工程化突破,获得厘米级高光学质量ABF单晶并制备真空紫外倍频器件。

测试结果显示,ABF在直接倍频真空紫外输出方面实现多项性能提升,包括更短的输出波长、更高的纳秒177纳米脉冲能量以及显著提高的光光转换效率。

对真空紫外光源而言,这类“波长可达、能量可用、效率可观”的组合指标,意味着从实验室演示向可应用系统迈出了关键一步,有望推动相关装备向小型化、高稳定性和低维护方向演进。

对策:面向后续应用落地与产业化推进,仍需围绕“材料—器件—系统”链条协同发力。

一是持续优化晶体生长工艺,提升大尺寸单晶的一致性与良率,强化杂质与缺陷控制,建立可重复的质量评价体系;二是完善器件加工与封装工艺,针对真空紫外波段对表面质量、镀膜与环境敏感的特点,提升倍频器件的抗损伤能力与长期稳定性;三是推动与激光系统集成的联合攻关,围绕泵浦源匹配、热管理、光路稳定与寿命评估等关键问题形成工程化解决方案;四是在标准与测试平台方面加快建设,为不同材料与器件的对比评估提供统一尺度,缩短从科研突破到应用验证的周期。

前景:从发展趋势看,真空紫外光源正朝着更短波长、更高效率、更高重复频率与更强可靠性方向演进。

ABF晶体在极短波段相位匹配能力、直接倍频表现及器件化可行性方面的进展,为构建紧凑高效的全固态真空紫外激光器提供了新的关键材料体系,也为后续拓展更宽波段、实现多场景应用打开空间。

随着材料设计理论、晶体生长装备、精密加工与系统工程能力的协同提升,真空紫外光源有望在先进制造、精密计量、材料表征与基础研究等领域形成更广泛的应用支撑,并带动相关核心器件与工艺的自主创新能力提升。

从基础研究到应用突破,ABF晶体的诞生不仅填补了我国在高端激光材料领域的技术空白,更展现出"材料设计-制备-器件"全链条创新的中国方案。

在全球科技竞争向深紫外、极紫外波段延伸的今天,这一成果既为突破"光源瓶颈"提供了关键支撑,也为新材料领域的自主创新树立了典范。

未来,随着量子科技、精密制造等战略产业的快速发展,此类原创性突破将发挥愈发重要的基石作用。