我国科学家成功研制ABF晶体 三项世界纪录刷新真空紫外激光输出新高度

长期以来,如何把激光“用得更精、更细、更短”,是高端制造与基础研究共同面对的关键课题。

激光波长越短,单个光子的能量越高,聚焦后的加工与探测能力越强。

波长短于200纳米的真空紫外波段,被认为是推动微纳加工、精密测量、先进材料研究等方向的重要工具窗口。

然而,真空紫外激光的获得并不容易,其中的核心瓶颈之一就在于非线性光学晶体材料——它决定了激光能否在稳定、紧凑的全固态体系中实现高效波长转换。

针对这一“卡点”,中国科学院新疆理化技术研究所团队经过近十年持续攻关,研制出新型真空紫外非线性光学晶体ABF(氟化硼酸铵)。

据介绍,团队首次实现158.9纳米真空紫外激光直接倍频输出,并在多项关键指标上取得突破:在特定条件下,直接倍频输出波长达到更短水平;在纳秒脉冲能量方面,纳秒177.3纳米激光直接倍频输出能量达到4.8毫焦;转换效率最高达到7.9%,三项指标均刷新世界纪录。

相关成果已在《自然》发表。

为何研发此类晶体难度极高?

从科学机理看,真空紫外非线性光学晶体需要同时满足几项近乎“互相拉扯”的条件:材料应具有足够大的带隙以避免在短波段吸收;还要具备较大的倍频效应以提高转换效率;同时需要合适的双折射性质,才能满足相位匹配并稳定输出。

三者必须取得平衡,任一项不足都可能导致“能出光但不实用”,或“理论可行但难以制备”。

也正因如此,真空紫外波段长期被视为先进光源技术的高地,国际上能够稳定支撑短波长固态输出的材料选择有限。

从历史脉络看,我国在非线性光学晶体领域的自主创新具有鲜明传承。

上世纪以来,国外率先发现多种非线性晶体并形成产业化能力。

1976年美国研制出KTP晶体并实现商业应用,而相关晶体材料曾对我国实施禁运。

面对缺技术、缺设备、缺人才的现实,我国科学家从自组装激光器和测试系统起步,逐步形成体系化研发能力,先后推出LBO、BBO、KBBF等一批性能领先的“中国牌”晶体。

其中,KBBF由我国科学家在20世纪90年代研制成功,是当时全球唯一可实现激光输出波长短于200纳米的晶体,相关性能长期保持领先地位。

随着应用需求持续升级,更优材料的“接力棒”必须有人接续,ABF的出现正是这一技术演进在真空紫外方向的关键进展。

此次突破带来的影响,首先体现在战略性与基础性支撑能力的提升。

真空紫外短波长激光可在高精密加工、微结构制造、先进光刻相关研究、表面与界面物性表征等方面提供更高分辨率与更强能量密度的手段;在前沿科研领域,短波段光源有助于开展高能光子相关实验与精密光谱测量,推动材料科学、化学反应动力学等研究深化。

其次,ABF晶体从材料设计理论创新到化合物合成、晶体生长、器件研制、激光输出形成相对完整链条,意味着我国在关键材料与核心器件环节的自主可控能力进一步增强,有利于降低外部不确定性对科研与产业发展的影响。

面向下一步工作,科研团队同时提示,材料性能仍有提升空间。

晶体生长、加工与器件化工艺的优化,将直接关系到更高能量输出、更高效率和更稳定的工程化应用。

业内人士认为,后续应推动“材料—工艺—器件—系统”协同攻关:一是加快晶体大尺寸、高品质生长技术迭代,提升一致性与良品率;二是完善加工、镀膜、封装等配套工艺,增强在复杂工况下的稳定运行能力;三是围绕精密制造、先进检测等典型场景,形成可验证的系统化应用方案,促进从实验室指标向工程指标转化;四是加强标准与测试评价体系建设,提升成果可比性与可复制性。

从发展前景看,短波长、高稳定、可工程化的全固态真空紫外激光,正成为先进制造和科学研究的重要“底座”能力。

ABF晶体在直接倍频输出上的进展,为构建更紧凑、更可靠的真空紫外光源提供了新的材料选择,也为我国在相关方向上形成持续领先奠定了基础。

随着关键工艺进一步成熟,相关成果有望在高端装备、精密加工与科研平台中形成更广泛的支撑效应。

从KBBF晶体的技术封锁到ABF晶体的全球领跑,中国科学家用三十年时间书写了一段"把冷板凳坐热"的创新传奇。

这项突破不仅彰显了我国在尖端材料领域的原始创新能力,更揭示出基础研究的长期积累对突破"卡脖子"技术的决定性作用。

当更多科研工作者以"十年磨一剑"的定力深耕专业领域,中国科技必将涌现更多从高原迈向高峰的里程碑式成就。