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

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

非線性光學晶體是獲得不同波長激光的物質條件和源頭。在晶體中實現(xiàn)應用波段相位匹配被普遍認為是重要的技術挑戰(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是應用最廣泛的彌補相位失配的有效途徑。該方案轉換效率高，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。

團隊前期在特邀綜述（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 20302-20317）中提出關于非線性光學晶體一種理想狀態(tài)的假設，即在基于雙折射相位匹配的非線性光學晶體中，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，該團隊創(chuàng)制了一類新非線性光學晶體，即全波段相位匹配晶體。該類晶體基于應用廣泛的雙折射相位匹配技術，且可以實現(xiàn)對晶體材料透過范圍內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制，并以此為指導獲得一例非線性光學晶體（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/深紫外非線性光學晶體材料。研究結果表明，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，有望滿足半導體晶圓檢測等領域的重大需求。更重要的是，GFB可采用水溶液法生長出高質量、超大尺寸晶體，使其有望成為應用于大科學裝置的新晶體材料。

GFB晶體器件

科研人員在進行實驗

利用GFB晶體進行激光實驗

今年是習近平總書記視察中國科學院并提出“四個率先”目標要求十周年。十年來，新疆理化所認真貫徹落實習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領域取得了一系列科研成果。下一步，新疆理化所將持續(xù)開展相關晶體材料、器件及激光光源應用的攻關研究，力爭產出更多原創(chuàng)性、引領性重大創(chuàng)新成果。

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