中国科学家创制全波段相位匹配晶体，有望满足半导体晶圆检测需求
激光是20世纪人类最重大的发明之一，60多年来，13项诺贝尔奖与激光技术密切相关。非线性光学晶体可用来对激光波长进行变频，从而扩展激光器的可调谐范围。近期，我国科学家成功创制了一种新型非线性光学晶体——全波段相位匹配晶体，为整个透光范围内实现双折射相位匹配提供了新思路。
该研究由中国科学院新疆理化技术研究所（以下简称“新疆理化所”）晶体材料研究中心潘世烈团队完成，相关成果于近期在国际学术期刊《自然·光子学》在线发表。
新疆理化所的科研人员正在进行激光实验。
中国科学院新疆理化技术研究所供图
非线性光学晶体可对激光波长进行变频
据新疆理化所所长潘世烈介绍，波长短于200纳米的深紫外激光因波长短、光子能量高等特点，在信息、工业、科研等领域有重要应用价值。目前，世界上唯一可实用化深紫外倍频晶体KBBF就是由中国科学家陈创天院士带领团队创制的。“新疆理化所继承和发扬老一辈科学家的思想和精神，加大对新型高性能、大尺寸晶体新材料的探索研究。”他说，新疆理化所晶体材料研究中心致力于新型紫外、深紫外非线性光学晶体的设计与合成。
据新疆理化所晶体材料研究中心研究员米日丁·穆太力普介绍，从1960年发明首台激光器至今，单色性好、高准直、高能量密度的激光光源逐渐发展成为高新技术产业、前沿科学研究等领域的重要战略支撑。
激光波长是激光器的输出波长，是激光器输出激光光束的重要参数。激光器中所使用的放大介质和激发方式等因素限制光子在确定的波长上振动，因此，激光器输出的波长为固定值，且调控范围有限。但是，人类迫切需要获得不同波长、不同能量的激光，以满足不同应用场景需求。例如，在环境监测、通讯、医疗、材料加工等领域，针对不同的介质和反射性能，会选择不同波长的激光。
非线性光学晶体可用来对激光波长进行变频，从而扩展激光器的可调谐范围，因此，非线性光学晶体是获得不同波长激光的物质条件和源头。“在晶体中实现应用波段相位匹配被普遍认为是重要的技术挑战之一，决定最终激光输出的功率和效率。”米日丁·穆太力普说。
GFB晶体输出的高功率激光可提高显微成像分辨率
1980年，陈创天院士团队宣布研制出领先世界的BBO晶体，被国际同行誉为“中国牌”的晶体，奠定了我国在晶体材料领域的地位。“我们站到巨人肩膀上，再走一小步都很难。”米日丁·穆太力普说，团队结合理论和实验，历经四五年时间，创制了一类新型非线性光学晶体，即全波段相位匹配晶体。
该类晶体基于应用广泛的双折射相位匹配技术，且可以实现对晶体材料透光范围内任意波长的相位匹配。研究揭示了全波段相位匹配晶体的物理机制，并以此为指导获得一例非线性光学晶体（GFB）。
GFB晶体器件。
中国科学院新疆理化技术研究所供图
GFB晶体可以实现1064纳米激光器二、三、四、五倍频高效、大能量输出，从而可获得532、355、266和213纳米等特殊波长的激光，其综合性能优于商用四倍频晶体CLBO和BBO，有望满足半导体晶圆检测等领域的重大需求。
“基于输出的波长，我们还可以预期GFB晶体在荧光显微成像技术和激光打标等领域得到实际应用。”他解释说，荧光显微成像结合荧光激发和显微技术，在生命科学、生物医学、临床医学诊断和材料科学等领域有着非常广泛的应用，但由于光学衍射极限的存在，传统光学显微镜无法观察到纳米尺度的物质及生命活动，极大地限制了科学研究和医学发展。而GFB晶体输出的高功率266纳米激光可提高显微成像分辨率，进而助力实现单分子水平检测。
同时，GFB晶体输出的266纳米紫外激光由于聚焦光斑极小，且加工热影响区小，因而可以进行超精细打标、特殊材料打标，会成为对打标效果有更高要求客户的可选产品。
有望成为应用于大科学装置的新晶体材料
GFB可采用水溶液法生长出高质量、超大尺寸晶体，与目前应用于国家重大工程的晶体相比，具有绝对的成本优势。“水溶液法生长晶体具有低耗能、对晶体生长的仪器装置要求不高、可肉眼观察晶体生长过程、易生长均匀性良好的大尺寸晶体等优势。”米日丁·穆太力普说。
GFB晶体的三倍频性能、生长特点及低制备成本，使其有望成为应用于国家重大工程等大科学装置的新一代晶体材料。他介绍道，GFB晶体生长所使用的原料碳酸胍和四氟硼酸价格低廉，5千克装日常销售价格分别为900元和400元左右，“大科学装置点火所使用的氘价格昂贵，而晶体生长成本是其千分之一到万分之一”。
新京报记者张璐
编辑刘梦婕校对李立军