ABF真空紫外倍频器件。新疆理化所供图

全固态真空紫外光源是一种具有重要战略意义的光学仪器设备，其核心材料为非线性光学晶体。

全球该领域的里程碑式晶体，是我国科学家于上世纪90年代发明的“中国牌”晶体——氟代硼铍酸钾晶体（KBBF）。它是过去30多年里，唯一能通过直接倍频技术实现200纳米以下真空紫外激光输出的实用晶体。

如今，中国科学院新疆理化技术研究所（以下简称新疆理化所）团队成功研制出一种新型“中国牌”晶体——氟化硼酸铵晶体（ABF）。该晶体不仅拥有完整的自主知识产权链条，材料性能更刷新多项纪录，使我国在该领域持续领跑全球。相关成果1月29日发表于《自然》。

刷新3项世界纪录

2009年2月，《自然》刊发一篇题为《中国晶体——藏匿的珍宝》的采访调研文章。文中，作者断言“其他国家在晶体生长方面的研究，还无法缩小与中国的差距”。

文章的主角正是“中国牌”晶体KBBF。1995年，陈创天院士等中国科学家研制出KBBF，“中国牌”晶体自此步入高光时刻。2007年，中国正式宣布停止对外提供KBBF，国外不惜重金请求购买，或邀请相关中国专家赴外工作，均被严词拒绝。

从1995年至今的30多年里，在非线性光学晶体领域，全球尚无任何新的晶体材料体系可以在性能上超越KBBF。

随着激光技术的飞速发展，该领域亟待研发新一代真空紫外非线性光学晶体。“从2007年我回国工作起，就开始着手寻找兼具更短输出波长、更大输出能量、更高转换效率的新材料体系。”新疆理化所研究员潘世烈说。

潘世烈曾师从陈创天、吴以成两位院士，在导师的指导下，系统掌握了晶体材料研究的理论体系与技术方法。2007年，他正式加入新疆理化所，开始组建一支覆盖理论计算、材料合成、晶体生长、器件加工、激光输出等全链条的创新团队，并寻找性能更优越的真空紫外非线性光学晶体材料体系。

他们创新性地将元素周期表中电负性最大的氟元素引入硼酸盐体系，让氟与硼以共价键相连，构筑起氟化硼酸盐基团，成功设计合成出ABF晶体。

最终，ABF晶体刷新了直接倍频真空紫外激光输出领域的3项世界纪录——波长最短、纳秒脉冲能量最大、转换效率最高。

“ABF晶体直接倍频输出激光的波长达到158.9纳米，纳秒级177.3纳米激光直接倍频输出能量达4.8毫焦，转换效率最高可达7.9%，均为世界最高水平。”潘世烈说。

可用于高端装备、精密微加工等领域

性能参数的提升，为一系列尖端应用领域带来了新机遇。“基于其短波长、光子能量大、转换效率高的特性，ABF晶体直接倍频输出的激光是国际上独一无二的，未来将在多个战略方向发挥关键作用。”潘世烈说。

在基础科学前沿，它将助力科学家探索物质微观奥秘。“激光的波长越短、能量越大，仪器的分辨率就越高。比如，在超导机理研究方面，别人看不清的，我们能看清，这有助于我们从源头上实现技术突破。”潘世烈说。

ABF晶体也让中国有了定义新一代科研装备标准和方向的可能。“作为关键部件，它还有望研制出国际上尚无先例的尖端科研仪器，如为自由电子激光提供独有的种子源，赋能下一代高端科研装备。”潘世烈说。

在高端制造领域，ABF晶体产生的真空紫外激光可应用于超高精密微加工等领域，显著提升加工精度与效率，服务于制造强国战略。

“短波长、高光子能量激光，可用于纳米级精度的切割、钻孔与表面处理，在航空航天、医疗器械等高端制造领域，实现更高效、更精密的加工。”潘世烈说。

此外，潘世烈介绍，ABF晶体还有望为空间激光通信等新兴领域与“无人区”领域提供新的技术路径。“未来，ABF晶体和器件的应用潜力巨大。我们的目标是创造需求、引领需求。”

十年磨一晶

目前，ABF晶体已突破厘米级晶体生长技术和器件加工技术瓶颈，构建起完备的自主知识产权体系。

“这项成果是团队站在老一辈科学家肩膀上接续奋斗的结晶。”潘世烈说。

在过去近20年里，科研团队将新型真空紫外非线性光学晶体从理论构想变为现实。潘世烈感慨：“研制过程是非常艰辛的。”

在材料理论层面，团队创新性提出真空紫外非线性光学晶体氟化设计及性能调控机制，攻克了“大带隙-大倍频效应-高双折射率-短紫外截止边”协同调控难题，创制出以ABF为代表的系列高性能晶体。

以此为基础，科研人员进一步聚焦晶体生长技术难题。为了长出足够大的ABF晶体，他们全年无休，年复一年地守着自研的晶体生长装备，夜以继日调节优化生长参数，用3年时间将晶体尺寸从毫米级提升至厘米级，最大可达4厘米。

光有晶体还不够。玉不琢不成器，晶体亦然。“晶体像人一样，一人一个脾气，每种晶体都有自己的秉性，得找到适配的加工工艺。”团队成员、新疆理化所研究员张方方说。他们反复试验切割角度、力度，摸索研磨、抛光工艺，历经无数次失败后，终于掌握了全套加工技术。

“当第一束158.9纳米激光从自主加工的器件中射出时，实验室爆发出欢呼声。”潘世烈笑着说。

如今，这支拥有100多位成员的团队仍在持续攻关。潘世烈介绍，下一步，新疆理化所将继续开展ABF晶体稳定生长技术、器件加工工艺及激光光源应用的研究，力争实现更短波长、更大能量、更高效率的全固态真空紫外光源创新，为精密制造、前沿科研装备领域提供有力支撑。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-10007-z

（原载于《中国科学报》 2026-02-04 第4版 综合）