真空紫外激光输出有了新突破

来源：光明日报

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本报北京1月29日电（记者崔兴毅）

激光技术被誉为20世纪“四大科技发明”之一。聚焦真空紫外非线性光学晶体材料领域基础研究和关键核心技术，中国科学院新疆理化技术研究所（以下简称“新疆理化所”）潘世烈团队成功研制出氟化硼酸铵（ABF）晶体，首次实现直接倍频真空紫外激光158.9纳米输出，创造了该领域世界最短输出波长纪录。相关成果于29日在国际学术期刊《自然》发表。

全固态真空紫外激光源（波长≤200纳米）因光子能量高、光束质量好、结构紧凑且稳定性强等特性，在精密加工、高端科研装备等多个领域具有不可替代的战略意义。长期以来，氟代硼铍酸钾晶体（KBBF）是唯一能够通过直接倍频技术实现200纳米以下激光输出的实用晶体，由陈创天院士团队在20世纪90年代发明。随着应用需求的不断发展，寻找下一代性能更优的新型晶体成为该领域的挑战性科学难题。

“非线性光学晶体是实现这一激光输出的核心材料。”新疆理化所所长潘世烈介绍，作为激光设备的关键部件，该类晶体可以转换激光频率，从而获得不同波长的激光，满足多样化的应用需求。如何突破这一技术桎梏？潘世烈团队从源头出发，创造性地提出“氟化”设计思想，将元素周期表中电负性最强的氟元素引入到硼酸盐晶体结构中，攻克对非线性光学材料关键性能的协同调控和晶体生长技术难题，成功获得厘米级高光学质量的ABF单晶，为紧凑、高效的全固态真空紫外激光器提供了全新的材料体系。

“新晶体的加工器件制造尤为困难，其软硬度等各种物理参数的匹配都需要从头摸索。”潘世烈说，经过长期试验，团队自主研发出一套完整适配ABF晶体的器件加工工艺，涵盖从定向切割、粗抛到精抛的全流程，实现了从晶体到实用器件的跨越。测试结果表明，该晶体综合性能优异，在直接倍频真空紫外激光输出方面刷新了3项世界纪录——直接倍频真空紫外激光输出波长最短、纳秒177纳米脉冲能量最高、光光转换效率大幅提升，综合性能远超现有材料。

“凭借独特优势，ABF晶体能应用于研制高性能全固态真空紫外激光器。”新疆理化所晶体材料研究中心研究员张方方介绍，该成果可以为高端科研装备的研发、超高精度激光加工、原始创新领域的空间通信等提供核心材料支撑，应用前景十分广阔。据悉，新疆理化所享有对ABF晶体从理论计算、晶体生长到器件研制、激光输出的全链条自主知识产权。该晶体的研发标志着中国在真空紫外非线性光学晶体关键材料方向取得重要突破，为保持中国在该领域的国际领先地位作出积极贡献。

“下一步，新疆理化所将持续开展ABF晶体稳定生长技术、器件加工工艺及激光光源研制和应用的研究，力争实现更短波长、更大能量、更高功率的全固态真空紫外光源创新，为精密制造、前沿科研装备提供有力支撑。”潘世烈表示。