激光是20世紀(jì)人類最重大的發(fā)明之一，60多年來，13項諾貝爾獎與激光技術(shù)密切相關(guān)。非線性光學(xué)晶體可用來對激光波長進(jìn)行變頻，從而擴(kuò)展激光器的可調(diào)諧范圍。近期，我國科學(xué)家成功創(chuàng)制了一種新型非線性光學(xué)晶體——全波段相位匹配晶體，為整個透光范圍內(nèi)實現(xiàn)雙折射相位匹配提供了新思路。

該研究由中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所晶體材料研究中心潘世烈團(tuán)隊完成，相關(guān)成果于近期在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》在線發(fā)表。

非線性光學(xué)晶體是獲得不同波長激光的物質(zhì)條件和源頭。在晶體中實現(xiàn)應(yīng)用波段相位匹配被普遍認(rèn)為是重要的技術(shù)挑戰(zhàn)之一，決定最終激光輸出的功率和效率。目前有多種技術(shù)方案可供選擇，其中利用晶體各向異性的雙折射相位匹配技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的彌補(bǔ)相位失配的有效途徑。該方案轉(zhuǎn)換效率高，但現(xiàn)有晶體均存在相位匹配波長損失，即可用晶體紫外截止邊和最短相位匹配波長的差值表征。

團(tuán)隊前期在特邀綜述（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 20302-20317）中提出關(guān)于非線性光學(xué)晶體一種理想狀態(tài)的假設(shè)，即在基于雙折射相位匹配的非線性光學(xué)晶體中，是否可以實現(xiàn)“紫外截止邊等于最短匹配波長”的理想狀態(tài)？近期，該團(tuán)隊創(chuàng)制了一類新非線性光學(xué)晶體，即全波段相位匹配晶體。該類晶體基于應(yīng)用廣泛的雙折射相位匹配技術(shù)，且可以實現(xiàn)對晶體材料透過范圍內(nèi)任意波長的相位匹配。該研究揭示了全波段相位匹配晶體的物理機(jī)制，并以此為指導(dǎo)獲得一例非線性光學(xué)晶體（GFB）�；�于晶體器件實現(xiàn)了193.2-266 nm紫外/深紫外激光輸出，該材料193.2 nm處晶體透過率<0.02%，依然可以實現(xiàn)倍頻激光輸出，驗證了其全波段相位匹配特性，使該晶體成為目前首例實現(xiàn)了全波段雙折射相位匹配的紫外/深紫外非線性光學(xué)晶體材料。研究結(jié)果表明，寬的相位匹配波長范圍使GFB晶體透光范圍得到充分應(yīng)用，可實現(xiàn)1064 nm激光器二、三、四、五倍頻高效、大能量輸出，有望滿足半導(dǎo)體晶圓檢測等領(lǐng)域的重大需求。更重要的是，GFB可采用水溶液法生長出高質(zhì)量、超大尺寸晶體，使其有望成為應(yīng)用于大科學(xué)裝置的新晶體材料。

GFB晶體器件

科研人員在進(jìn)行實驗

利用GFB晶體進(jìn)行激光實驗

今年是習(xí)近平總書記視察中國科學(xué)院并提出“四個率先”目標(biāo)要求十周年。十年來，新疆理化所認(rèn)真貫徹落實習(xí)近平總書記重要指示精神，面向國家重大需求，在新型光電功能晶體材料等重要技術(shù)領(lǐng)域取得了一系列科研成果。下一步，新疆理化所將持續(xù)開展相關(guān)晶體材料、器件及激光光源應(yīng)用的攻關(guān)研究，力爭產(chǎn)出更多原創(chuàng)性、引領(lǐng)性重大創(chuàng)新成果。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01228-7