我国的“独门利器”又添新兵中国科学家利用独创、独有的深紫外技术

激光作为20世纪四大发明之一，具有普通光源难以实现的亮度高、单色性好、相干性好、方向性好等特点，目前已在现代加工、医疗、国防军事等领域得到广泛应用。

激光切割（图片来自网络）

深紫外全固态激光源，是指输出波长在200纳米以下的固体激光器，与同步辐射和气体放电光源等现有光源相比，具有高的光子流通量/密度、好的方向性和相干性。

中国科学家利用独创、独有的深紫外技术和深紫外激光非线性光学晶体，成功研制出深紫外激光拉曼光谱仪、深紫外激光发射电子显微镜等八台深紫外固态激光源前沿装备，均为当今世界所独有的科研利器，居深紫外领域国际领先地位。

随着激光技术的发展，全固态深紫外（波长＜200 纳米）激光具有波长短、峰值功率高的优点，使其成为目前激光领域的研究热点。

KBBF 晶体是产生深紫外激光设备的核心材料。（图片来自新华社）

当前，实现深紫外激光输出的最有效的方式，是借助于深紫外非线性光学晶体的频率转换特性。而提到非线性光学晶体，我们不得不提一种名为氟硼铍酸钾（KBBF）的晶体。

近半个世纪以来，我国在非线性光学晶体领域一直处于国际领先地位，相继发明并产业化了 β-BaB2O4、LiB3O5 和 KBe2BO3F2（KBBF）等一系列“中国牌”晶体。其中，利用 KBBF 晶体，中国科学家在世界上第一次实现了1064纳米激光直接倍频实现深紫外激光输出（177.3纳米）。2009年 Nature 以《中国“藏匿”的晶体珍宝》报道了中国人工晶体的成就：“中国在 KBBF 晶体上的垄断地位并不是偶然，……中国的科研人员悄然占领了一系列广阔的材料研究领域的制高点”。

但是，由于受到本身缺陷的制约（层状习性，原料剧毒），KBBF 晶体难以满足深紫外激光器行业的应用需求。因此，设计合成新型深紫外非线性光学晶体是目前亟待研究和突破的课题。

潜在的深紫外非线性光学晶体需要同时具备以下几个条件：

1、深紫外透过截止边低（这决定可应用波段及抗激光损伤能力）；

2、倍频效应大（这决定转换效率）；

3、折射率色散小（这决定材料激光倍频输出的波长范围）。

而这些性能之间又相互制约、相互影响。比如说，深紫外透过低需要带隙要更宽，但是带隙变宽了以后，倍频效应就不好进一步增大了。所以说，研究材料结构与性能的关系，建立功能基元数据库、探索平衡性能之间相互制约的机制，筛选并引入新的功能基团，是突破深紫外光学晶体的有效手段。

中国科学院新疆理化技术研究所特殊环境功能材料与器件院重点实验室潘世烈团队就在这方面有了系列的进展。

他们通过分析硼酸盐晶体性能之间相互制约的关系，基于材料模拟方法首次提出了一种将 BO4-xFx（x = 1, 2, 3）功能基团引入硼酸盐框架的设计策略，成功筛选设计出一系列很有潜力的碱金属氟硼酸深紫外光学晶体，并证实了这一类材料作为深紫外非线性光学晶体应用的可行性。

SrB5O7F3 晶体结构

近日，该团队又成功设计并合成出首例碱土金属氟硼酸盐 SrB5O7F3 ，该晶体紫外截止边低于180 nm，双折射率较大（0.07@532），相位匹配波长短（180 nm）。这些性能表明该晶体可应用于深紫外波段。此外，SrB5O7F3 倍频效应为 KBBF 的1.3倍，具有更高的激光转换效率。基于 SrB5O7F3 晶体优异的光学和物化性能，其有望在深紫外激光倍频输出方面得到应用。

来源：中国科学院新疆理化技术研究所