我國的「獨門利器」又添新兵

來自專欄 中科院之聲

激光作為20世紀四大發明之一，具有普通光源難以實現的亮度高、單色性好、相干性好、方向性好等特點，目前已在現代加工、醫療、國防軍事等領域得到廣泛應用。

激光切割（圖片來自網路）

深紫外全固態激光源，是指輸出波長在200納米以下的固體激光器，與同步輻射和氣體放電光源等現有光源相比，具有高的光子流通量/密度、好的方向性和相干性。

中國科學家利用獨創、獨有的深紫外技術和深紫外激光非線性光學晶體，成功研製出深紫外激光拉曼光譜儀、深紫外激光發射電子顯微鏡等八台深紫外固態激光源前沿裝備，均為當今世界所獨有的科研利器，居深紫外領域國際領先地位。

隨著激光技術的發展，全固態深紫外（波長＜200 納米）激光具有波長短、峰值功率高的優點，使其成為目前激光領域的研究熱點。

KBBF 晶體是產生深紫外激光設備的核心材料。（圖片來自新華社）

當前，實現深紫外激光輸出的最有效的方式，是藉助於深紫外非線性光學晶體的頻率轉換特性。而提到非線性光學晶體，我們不得不提一種名為氟硼鈹酸鉀（KBBF）的晶體。

近半個世紀以來，我國在非線性光學晶體領域一直處於國際領先地位，相繼發明併產業化了 β-BaB2O4、LiB3O5 和 KBe2BO3F2（KBBF）等一系列「中國牌」晶體。其中，利用 KBBF 晶體，中國科學家在世界上第一次實現了1064納米激光直接倍頻實現深紫外激光輸出（177.3納米）。2009年 Nature 以《中國「藏匿」的晶體珍寶》報道了中國人工晶體的成就：「中國在 KBBF 晶體上的壟斷地位並不是偶然，……中國的科研人員悄然佔領了一系列廣闊的材料研究領域的制高點」。

但是，由於受到本身缺陷的制約（層狀習性，原料劇毒），KBBF 晶體難以滿足深紫外激光器行業的應用需求。因此，設計合成新型深紫外非線性光學晶體是目前亟待研究和突破的課題。

潛在的深紫外非線性光學晶體需要同時具備以下幾個條件：

1、深紫外透過截止邊低（這決定可應用波段及抗激光損傷能力）；

2、倍頻效應大（這決定轉換效率）；

3、折射率色散小（這決定材料激光倍頻輸出的波長範圍）。

而這些性能之間又相互制約、相互影響。比如說，深紫外透過低需要帶隙要更寬，但是帶隙變寬了以後，倍頻效應就不好進一步增大了。所以說，研究材料結構與性能的關係，建立功能基元資料庫、探索平衡性能之間相互制約的機制，篩選並引入新的功能基團，是突破深紫外光學晶體的有效手段。

中國科學院新疆理化技術研究所特殊環境功能材料與器件院重點實驗室潘世烈團隊就在這方面有了系列的進展。

他們通過分析硼酸鹽晶體性能之間相互制約的關係，基於材料模擬方法首次提出了一種將 BO4-xFx（x = 1, 2, 3）功能基團引入硼酸鹽框架的設計策略，成功篩選設計出一系列很有潛力的鹼金屬氟硼酸深紫外光學晶體，並證實了這一類材料作為深紫外非線性光學晶體應用的可行性。

SrB5O7F3 晶體結構

近日，該團隊又成功設計併合成出首例鹼土金屬氟硼酸鹽 SrB5O7F3 ，該晶體紫外截止邊低於180 nm，雙折射率較大（0.07@532），相位匹配波長短（180 nm）。這些性能表明該晶體可應用於深紫外波段。此外，SrB5O7F3 倍頻效應為 KBBF 的1.3倍，具有更高的激光轉換效率。基於 SrB5O7F3 晶體優異的光學和物化性能，其有望在深紫外激光倍頻輸出方面得到應用。

作者：米日丁?穆太力普

來源：中國科學院新疆理化技術研究所