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

长期以来,真空紫外激光因波段短、光子能量高,在先进制造、微纳加工、高分辨光谱分析、材料表征以及前沿基础研究等领域具有重要应用价值。

然而,与可见光、近红外波段相比,真空紫外光源面临材料与器件“双重瓶颈”:一方面,真空紫外波段对材料透过性要求极高,许多晶体在该波段吸收强、损耗大;另一方面,要实现高效频率转换并获得稳定输出,需要晶体同时具备强非线性响应、足够大的双折射以满足相位匹配条件,以及可实现高质量生长与加工的工程可行性。

如何在多项性能指标间取得兼顾,一直是国际光学材料研究的难点之一。

此次研究实现突破,关键在于科研团队围绕“材料设计—机理调控—工程实现”开展系统攻关。

团队提出面向真空紫外非线性光学晶体的氟化设计思路,并建立相应的性能调控机制,进而创制出以氟化硼酸铵(ABF)为代表的系列高性能晶体材料。

氟元素的引入,有助于降低晶体在真空紫外波段的吸收损耗,同时在结构层面优化非线性光学响应与双折射特性,为获得更短波长、更高效率的频率转换提供了材料基础。

更为重要的是,研究并未止步于理论与样品验证,而是进一步聚焦晶体生长与器件加工等关键工艺环节,攻克了大尺寸、高光学质量单晶制备以及倍频器件制备中的技术难题,获得厘米级ABF单晶并实现真空紫外倍频器件的可用化,为后续工程化应用奠定基础。

从结果看,ABF晶体在真空紫外激光直接倍频输出方面给出了具有标志性的指标:其最短相位匹配输出波长达到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;同时在纳秒177纳米脉冲能量和光光转换效率等方面表现突出,实现多项指标的跃升。

这意味着在更短波段上实现更高能量、更高效率的全固态输出具备现实可行性,相关综合性能相较现有材料呈现明显优势。

对于真空紫外光源而言,这类性能提升不仅关系到是否“能发出来”,更关系到“能否稳定、能否高效、能否小型化”,对应用端的可用性具有直接影响。

从影响层面看,这一进展体现出基础研究与工程验证相衔接的特点:一是为真空紫外全固态激光器提供了新的关键材料体系,有望推动光源从复杂、体积大、维护成本高的方案向更紧凑、更可靠的方向发展;二是有助于提升我国在高端光学材料与深紫外—真空紫外器件领域的自主创新能力,为相关产业链关键环节提供材料源头支撑;三是为进一步拓展更短波长、更高平均功率、更高稳定度的真空紫外输出打开新的技术路径,为多学科交叉的前沿实验条件建设提供可能。

面向下一步发展,仍需在“可规模化制备、可长期稳定运行、可系统级集成”上持续发力。

其一,推动晶体生长工艺稳定化与一致性控制,围绕缺陷控制、均匀性提升与良率提升开展体系化优化,形成可复制的工程流程。

其二,完善器件加工与镀膜、封装等配套工艺,针对真空紫外波段对污染、吸附与表面损伤敏感的特点,加强环境控制与可靠性评估。

其三,结合整机系统需求开展协同攻关,在泵浦源、热管理、光学设计与控制策略等方面实现整体优化,打通从晶体材料到整机输出的性能闭环。

其四,围绕典型应用场景开展示范验证,以需求牵引性能指标迭代,推动成果从实验室走向可用、好用、耐用。

综合判断,真空紫外光源的发展正在由“能否获得波长”向“能否实现高效与工程化”加速转变。

ABF晶体的出现,为更短波长真空紫外全固态激光提供了关键材料支点,也为后续新材料体系的设计提供了可借鉴的思路:通过面向目标波段的化学结构设计与性能调控,在透过性、非线性响应、双折射与可生长性之间实现更优平衡。

随着材料、器件与系统协同推进,真空紫外全固态激光在高端制造与基础研究领域的应用边界有望进一步拓展。

此次突破不仅彰显了我国在材料科学和激光技术领域的创新能力,也为全球真空紫外激光技术的发展提供了中国方案。

从基础研究到应用落地,科技工作者正以扎实的科研实力推动关键核心技术攻关,为高质量发展注入强劲动力。

这一成果再次证明,唯有坚持自主创新,才能在科技竞争中掌握主动权,实现从跟跑到领跑的跨越。