真空紫光输出新发现：突破性激光技术解析

来源：光明日报

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【前沿科技新突破】

本报北京1月29日电（记者崔兴毅）

被誉为“二十世纪四大科技发明”之一的激光技术，在聚焦真空紫外非线性光学晶体的研究领域取得了关键突破。中国科学院新疆理化技术研究所（简称新疆理化所）的潘世烈团队日前成功研制出氟化硼酸铵（ABF）晶体，首次通过直接倍频技术，将激光输出波长缩短至158.9纳米，创造了该领域输出波长的世界最短纪录。相关成果已于29日登上国际权威学术期刊《自然》。

波长在200纳米以下的全固态真空紫外激光光源，因其光子能量高、光束质量优、结构紧凑且稳定性强等优异特性，在精密加工、高端科研装备乃至前沿科技领域都具有不可替代的战略价值。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，这是由陈创天院士团队于上世纪九十年代发明的。然而，随着应用需求的持续深化，寻找性能更优的下一代新型晶体，成为该领域科研人员面临的关键挑战。

“非线性光学晶体是实现这一波段激光输出的核心材料，”新疆理化所所长潘世烈解释道。作为激光设备中的关键元件，这类晶体能有效转换激光频率，从而获得不同波长的激光束，满足多样化的应用需求。为了突破这一技术瓶颈，潘世烈团队从源头出发，创新性地提出了“氟化”设计理念——将元素周期表中电负性最强的氟元素，巧妙地引入硼酸盐晶体结构中。这一思路不仅攻克了非线性光学材料关键性能的协同调控难题，还解决了晶体生长的技术瓶颈。最终，团队成功获得了高质量、厘米级的ABF单晶，为研制更紧凑、高效的全固态真空紫外激光器，提供了全新的材料解决方案。

“新晶体的加工器件制造尤为困难，其软硬度等各项物理参数的匹配都需要从头摸索，”潘世烈表示。经过长期试验，团队自主研发出一套与ABF晶体特性完全匹配的器件加工全流程工艺，涵盖了从定向切割、粗抛到精抛的完整步骤，实现了从晶体坯料到实用器件的跨越。测试结果表明，该晶体的综合性能优异，在直接倍频真空紫外激光输出方面，一举刷新了三项世界纪录：实现了最短的直接倍频真空紫外激光输出波长，获得了纳秒177纳米脉冲能量最高值，并使光光转换效率大幅提升，其综合性能远超现有材料。

“凭借独特的性能优势，ABF晶体有望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说。这项成果可为高端科研装备的研发、超高精度激光加工以及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，新疆理化所已全面掌握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。该晶体的成功研发，标志着我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，为保持我国在该领域的国际领先地位作出了积极贡献。

“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研究，力争实现波长更短、能量更大、功效更高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。