激光是20世纪人类重大发明之一。1960年，人类发明出首台激光器。60多年来，13项诺贝尔奖与激光技术密切相关。高质量的激光光源，既是高新技术产业的“心脏”，也是前沿科学研究的必争之地。而光学晶体是产出不同波长激光的物质条件和源头。
7月14日，记者从中国科学院获悉，我国科学家成功创制出一种新型非线性光学晶体——全波段相位匹配晶体（gfb）。该晶体是目前首例实现了全波段双折射相位匹配的紫外/深紫外倍频晶体材料，可用于半导体晶圆检测、大科学装置等领域。
该研究由中国科学院新疆理化技术研究所晶体材料研究中心潘世烈团队完成，相关成果已发表于国际学术期刊《自然·光子学》。
gfb晶体器件。中国科学院新疆理化所供图
研究论文投稿后，得到《自然·光子学》审稿人好评，他们认为“gfb材料本身已经得到了极好的表征”，“很明显，gfb是偏硼酸钡晶体（bbo）和六硼酸铯锂晶体（clbo）的可行替代晶体”。
论文发表后，《应用物理评论》主编发来邮件问：“这篇文章的质量给我留下了深刻的印象，你们有没有兴趣给我们杂志也投篇稿？”
“我们在非线性光学晶体领域已经领先于西方国家。”论文通讯作者潘世烈告诉《中国科学报》。
基于该晶体，激光器件可以输出193.2纳米至266纳米的紫外/深紫外激光。该晶体材料在193.2纳米处，晶体透过率小于0.02%，依然可以实现倍频激光输出，验证了其全波段相位匹配特性，使该晶体成为目前首例实现了全波段双折射相位匹配的紫外/深紫外倍频晶体材料。
“全波段，意味着激光穿过晶体后没有折损。这就像一个孩子，以他的能力，能考90分，但因为发挥不好，总是只能考70分，我们现在做的就是把他的潜能激发出来，让他每次都能稳定地考出90分。”潘世烈说。
研究结果表明，宽的相位匹配波长范围使gfb晶体透光范围得到充分应用，可实现1064 纳米激光器二、三、四、五倍频高效、大能量输出，有望满足半导体晶圆检测等领域的重大需求。更重要的是，gfb可采用水溶液法生长出高质量、超大尺寸晶体，使其有望成为应用于大科学装置的新晶体材料。
论文第一作者、中国科学院新疆理化所研究员米日丁·穆太力普告诉《中国科学报》，由于gfb晶体可以在40摄氏度的水溶液中生长，原料成本也相对便宜，因此晶体生产成本相对较低，待gfb晶体生长工艺稳定后，可以较容易实现批量化生产。
值得注意的是，该研究是一项从“问题”开始、以理论创新为基础的技术突破。
“团队前期基于领域前沿进展的研究和对非线性光学晶体双折射相位匹配现状的剖析，首次提出了关于非线性光学晶体一种理想状态的假设，即在基于双折射相位匹配的非线性光学晶体中，是否可以实现‘紫外截止边等于最短匹配波长’的理想状态？”米日丁说。
在这一问题的引导下，团队成员研究揭示了全波段相位匹配晶体的物理机制。之后又经过5年的设计和合成，成功地在常温水溶液中生长出尺寸最大可达70毫米×60毫米×50毫米的晶体。
新疆理化所科研人员正在进行激光实验。中国科学院新疆理化所供图
潘世烈介绍，中国科学院新疆理化所晶体材料研究中心组建于2007年，如今，科研团队以“创制新一代‘中国牌’晶体”为初心使命，汇聚了一群像米日丁一样年轻的“90”后科研人员，其中3名青年科研人员获得国家自然科学基金优秀青年科学基金项目资助。此外，中心还吸引了来自南开大学、哈尔滨工业大学等高校和科研院所的资深专家加入团队，为西部培养人才、留住人才、吸引人才起到了很好的示范作用。
作为中国科学院新疆理化所所长潘世烈表示，下一步，新疆理化所将持续开展相关晶体材料、器件及激光光源应用的攻关研究，力争产出更多原创性、引领性重大创新成果。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01228-7
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