全固態(tài)真空紫外光源以其體積小、成本低、綜合性能好等特點，具有重要戰(zhàn)略意義，非線性光學晶體是其核心材料。新疆理化技術(shù)研究所（以下簡稱新疆理化所）潘世烈團隊聚焦真空紫外非線性光學晶體材料領域基礎研究和關(guān)鍵核心技術(shù)，經(jīng)過長期不懈的探索與創(chuàng)新，成功研制出氟化硼酸銨（ABF）晶體，同時攻克其大尺寸晶體生長和器件加工技術(shù)難題，采用雙折射相位匹配技術(shù)，實現(xiàn)直接倍頻真空紫外激光158.9nm輸出，為緊湊、高效的全固態(tài)真空紫外激光器提供了全新的關(guān)鍵材料體系，將在精密制造、前沿科研等領域發(fā)揮重要戰(zhàn)略作用，相關(guān)成果于北京時間1月29日在國際學術(shù)期刊《自然》發(fā)表。

氟化硼酸銨ABF真空紫外倍頻器件

非線性光學晶體是實現(xiàn)全固態(tài)真空紫外激光輸出的核心材料，其性能直接決定了激光器的輸出波長、轉(zhuǎn)換效率等。在該領域，氟代硼鈹酸鉀晶體（KBBF）是里程碑式材料，由陳創(chuàng)天院士等我國科學家在上世紀九十年代發(fā)明，長期以來是能夠通過直接倍頻技術(shù)實現(xiàn)200nm以下激光輸出的實用晶體。隨著應用需求的不斷發(fā)展，尋找一種兼具真空紫外高透過性、強非線性響應、大雙折射與優(yōu)異生長性能的新型晶體，一直被認為是該領域的挑戰(zhàn)性科學難題。

激光輸出演示

科研團隊創(chuàng)新性提出真空紫外非線性光學晶體氟化設計及性能調(diào)控機制，攻克“大帶隙-大倍頻效應-高雙折射率"協(xié)同調(diào)控難題，創(chuàng)制出以ABF為代表的系列高性能晶體。在理論突破的基礎上，科研人員攻克晶體生長技術(shù)難題，成功獲得厘米級高光學質(zhì)量的ABF單晶。

圖1：ABF晶體結(jié)構(gòu)、單晶實物照片、光學質(zhì)量與熱膨脹性能

圖2：ABF的透過譜、折射率色散、相位匹配曲線、非線性系數(shù)與損傷閾值

圖3：ABF實現(xiàn)158.9–188.0 nm可調(diào)諧VUV輸出的實驗裝置與光譜結(jié)果

ABF晶體最短相位匹配輸出波長可達158.9nm，創(chuàng)造了通過雙折射相位匹配技術(shù)輸出真空紫外激光的最短紀錄。ABF晶體研發(fā)取得突破性進展，標志著我國在真空紫外光學晶體關(guān)鍵材料方向取得重要突破，為保持我國在該領域的地位做出積極貢獻。

下一步，新疆理化所將持續(xù)開展ABF晶體穩(wěn)定生長技術(shù)、器件加工工藝及激光光源應用的研究，力爭實現(xiàn)更短波長、更高功率的全固態(tài)真空紫外光源創(chuàng)新，為精密制造、前沿科研裝備提供有力支撐。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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