GFB器件。中国科学院新疆理化所供图

近日，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成功创制出一种新型非线性光学晶体——全波段相位匹配晶体（GFB）。该晶体是目前首例实现了全波段双折射相位匹配的紫外/深紫外倍频晶体材料，可用于半导体晶圆检测、大科学装置等领域。相关成果已发表于《自然-光子学》。

基于该晶体，激光器件可以输出193.2纳米至266纳米的紫外/深紫外激光。该晶体材料在193.2纳米处，晶体透过率小于0.02%，依然可以实现倍频激光输出，验证了其全波段相位匹配特性。

“全波段意味着激光穿过晶体后没有折损。这就像一个孩子，以他的能力能考90分，但因为发挥不好，总是考70分，我们现在做的就是把他的潜能激发出来，让他每次都能稳定地考出90分。”论文通讯作者潘世烈说。

研究结果表明，宽的相位匹配波长范围使GFB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。更重要的是，GFB可采用水溶液法生长出高质量、超大尺寸晶体，有望成为应用于大科学装置的新晶体材料。

论文第一作者、新疆理化所研究员米日丁·穆太力普告诉《中国科学报》，由于GFB可以在40摄氏度的水溶液中生长，原料相对便宜，因此晶体生产成本也相对较低，待GFB生长工艺稳定后，可以较快实现批量化生产。

值得注意的是，该研究是一项从问题开始、以理论创新为基础的技术突破。

“团队前期基于领域前沿进展的研究和对非线性光学晶体双折射相位匹配现状的剖析，首次提出了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？”米日丁说。

在这一问题的引导下，团队成员研究揭示了GFB的物理机制。之后，经过5年的设计和合成，成功在常温水溶液中生长出尺寸最大可达70毫米×60毫米×50毫米的晶体。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01228-7

（原载于《中国科学报》 2023-07-17 第1版 要闻）