中科院新疆理化所，首篇Nature！

158.9 nm，真空紫外激光关键材料实现突破

真空紫外光源在高分辨光电子能谱、量子物理以及193 nm 光刻等前沿领域中具有不可替代的作用。然而，获得稳定、高功率、紧凑型的VUV激光长期以来都是一项世界级难题。相比同步辐射和自由电子激光等大型装置，基于非线性光学晶体的二次谐波产生（SHG）被认为是最简单、最高效的方案，但现实却十分残酷：一方面，能够在VUV波段实现双折射相位匹配的晶体极为稀缺；另一方面，现有材料普遍存在转换效率低、晶体难以长大或加工困难等瓶颈。过去30多年中，KBBF晶体几乎是唯一能真正“打破200 nm壁垒”的材料，但其层状结构导致晶体只能以薄片形式生长，必须依赖复杂的棱镜耦合结构，严重限制了能量输出和工程应用。在这一背景下，是否还能找到一种既能突破波长极限，又具备工程可用性的全新VUV非线性晶体，成为该领域长期未解的关键问题。

今日，中国科学院新疆理化技术研究所潘世烈研究员报道了一种全新的氟氧硼酸盐晶体 NH₄B₄O₆F（ABF）。该晶体不仅成功实现了158.9 nm 的相位匹配二次谐波输出，刷新固体晶体VUV-SHG最短波长纪录，还在 177.3 nm 波段获得 4.8 mJ 的纳秒脉冲输出能量，转换效率高达 5.9%，全面超越KBBF。更重要的是，ABF克服了传统层状晶体难以长大的顽疾，可稳定生长厘米级单晶，为构建紧凑、高功率、全固态VUV激光器提供了全新材料平台。这项工作被认为是深紫外非线性光学材料领域的里程碑式突破。相关成果以“Vacuum ultraviolet second-harmonic generation in NH4B4O6F crystal”为题发表在《Nature》上。Fangfang Zhang, Zilong Chen, Chen Cui为共同第一作者。

结构设计与高质量单晶生长

ABF晶体的核心结构由二维 [B₄O₆F]∞ 层构成，相邻层之间通过 NH₄⁺ 离子以氢键连接（图1a）。与KBBF中层间距高达 6.25 Å 不同，ABF的层间距仅 3.81 Å，几乎缩小了一半。这一关键差异显著增强了层间结合能，从根本上削弱了材料沿特定晶向“只长薄片”的生长习性。在晶体生长方面，研究团队创新性地采用了一种自生压条件下的气–液–固三相蒸汽沉积方法，成功获得尺寸达 25 × 18 × 10 mm³ 的厘米级高质量单晶（图1b）。X射线摇摆曲线显示其半高宽仅 36 arcsec（图1c），锥光干涉图样清晰规则（图1d,e），证明晶体具有优异的光学均匀性。同时，ABF的热膨胀各向异性明显小于常用非线性晶体LBO（图1f），加之适中的机械硬度，使其在切割和器件加工中更具工程友好性。

图1：ABF晶体结构、单晶实物照片、光学质量与热膨胀性能

全面领先的VUV非线性光学性能

优异的结构基础直接转化为突出的光学性能。ABF展现出从 155 nm 到近红外 的超宽透过窗口（图2a），在 177.3 nm 和 193 nm 这两个关键工业波段仍保持接近 80% 的高透过率。通过精确测量折射率并拟合色散关系，研究人员确认ABF是一种光学负双轴晶体（图2b），具备在VUV区实现双折射相位匹配的必要条件。理论与实验一致表明，其最短相位匹配SHG波长可达 158 nm（图2c），在所有已实验验证的晶体中处于绝对领先地位。更关键的是非线性响应强度。通过Maker条纹法和相位匹配法测得，ABF的有效二阶非线性系数 d₃₂ ≈ 1.09 pm V⁻¹（图2d,e），在VUV波段显著高于KBBF。与此同时，其激光损伤阈值高达 1.6 GW cm⁻²，甚至超过商用高抗损伤晶体LBO（图2f），为高功率运行奠定基础。

图2：ABF的透过谱、折射率色散、相位匹配曲线、非线性系数与损伤阈值

可调谐VUV输出，刷新最短波长纪录

在实际器件验证中，研究团队构建了多种相位匹配角度的ABF器件，实现了 158.9–340.2 nm 范围内的连续可调谐频率倍增输出。在 158.9–188.0 nm 区间内，VUV信号清晰可辨（图3a,b），其中 158.9 nm 的输出成功打破KBBF保持多年的 165 nm 纪录，标志着固体晶体SHG正式迈入更短波长的新阶段。这一突破不仅在光学物理上具有象征意义，也为高能光电子谱、化学反应动力学等研究提供了更高能量的光源选择。

图3：ABF实现158.9–188.0 nm可调谐VUV输出的实验装置与光谱结果

177.3 nm 高能输出，真正走向工程应用

针对工业与科研高度关注的 177.3 nm 波段，团队进一步设计了无需棱镜耦合的ABF倍频器件（图4a）。在 354.7 nm → 177.3 nm 的SHG过程中，ABF实现了 4.8 mJ 的纳秒脉冲输出，对应转换效率 5.9%，峰值效率甚至达到 7.9%（图4c）。与之相比，KBBF在相同条件下的输出能量仅 0.375 mJ，效率不足 2%。自激光技术诞生以来，这是除KBBF之外，首次有新型晶体在177.3 nm波段实现双折射相位匹配SHG输出，且性能全面领先。

图4：177.3 nm高能VUV激光输出器件结构及能量/效率表现

氟化策略背后的物理机制

性能跃迁的根源，来自一种巧妙的氟化结构设计策略。ABF中同时存在 [BO₃] 和 [BO₃F] 基元，其中[BO₃F]具有更低对称性，诱导电子密度分布的不对称性（图5a）。理论计算表明，氟原子作为“键终止剂”，切断三维B–O网络，形成高度有序的二维阴离子层（图5b），并促使极化方向高度协同排列（图5c）。这种“结构有序 + 对称性破缺”的双重效应，使ABF在双折射、非线性系数和VUV透明性之间实现了罕见的平衡。

图5：氟化效应调控结构对称性与非线性响应的理论机制分析

小结

ABF晶体的成功，标志着深紫外非线性光学材料从“实验可行”迈向“工程可用”的关键一步。它不仅在波长极限、输出能量和效率上全面超越KBBF，更重要的是解决了长期困扰该领域的晶体生长与器件集成难题。随着晶体质量和器件设计的进一步优化，ABF有望成为下一代紧凑型、高功率、全固态VUV激光器的核心材料，在先进光刻、量子测量和极紫外光谱等领域展现巨大应用潜力。