世界首例！中国科学家成功创制全波段相位匹配晶体

潘世烈研究员（右）和米日丁·穆太力普研究员在北京举行的新闻发布会上合影。　中新社记者孙自法　摄

中国科学院7月14日在北京举行专项新闻发布会宣布，中国科学院新疆理化技术研究所(中国科学院新疆理化所)成功创制一种新型非线性光学晶体——全波段相位匹配晶体，成为目前世界上首例实现全波段双折射相位匹配的紫外/深紫外倍频晶体材料，将满足半导体晶圆检测等领域的重大需求，并有望成为应用于大科学装置的新晶体材料。

中国科学院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

这项光学晶体领域重大理论突破和材料制备成果，由中国科学院新疆理化所晶体材料研究中心潘世烈研究员团队攻关完成，相关研究论文近期已在国际专业学术期刊《自然-光子学》在线发表。

论文第一作者、中国科学院新疆理化所晶体材料研究中心米日丁·穆太力普研究员介绍说，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。非线性光学晶体是获得不同波长激光的物质条件和源头，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。而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。

目前有多种技术方案可供选择，其中利用晶体各向异性的双折射相位匹配技术是应用最广泛的弥补相位失配的有效途径。该方案转换效率高，但现有晶体均存在相位匹配波长损失，即可用晶体紫外截止边和最短相位匹配波长的差值表征。对此，中国科学院新疆理化所团队之前就提出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？

本次研究的GFB晶体器件。　中国科学院新疆理化所供图

本项研究中，研究团队成功创制出全波段相位匹配晶体，这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过范围内任意波长的相位匹配。该研究揭示出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。同时，基于晶体器件实现193.2-266纳米紫外/深紫外激光输出，从而验证了其全波段相位匹配特性，使该晶体成为目前全球首例实现全波段双折射相位匹配的紫外/深紫外倍频晶体材料。

米日丁·穆太力普称，研究结果表明，全波段相位匹配晶体宽的相位匹配波长范围，使非线性光学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。同时，该晶体具有生长容易、成本低、效率高、抗激光损伤等优势，有望成为应用于大科学装置的新晶体材料。他透露，在晶体制备方面，研究团队已获中国发明专利授权，并已向欧洲、美国、日本等提交国际专利申请。

论文通讯作者潘世烈研究员指出，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、国防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是由中国老一代科学家陈创天院士带领团队创制。中国科学院新疆理化所这次实现全波段相位匹配晶体的理论突破和材料制备，就是接过老一辈科学家“接力棒”并努力探索研究取得。