中國科學家在固態真空紫外激光技術方面取得了新里程碑，成功利用一種新型專用光學晶體實現了創紀錄的短波長。這項突破被譽為真空紫外（VUV）激光技術的一大進展，由中國科學院（CAS）的一個研究團隊完成，該團隊由新疆物理化學技術研究所的主任潘士烈博士領導。在此項目中，潘士烈利用了一種稱為氟氧化鋁銨（NH4BF4）的非線性光學晶體。研究團隊利用這種材料成功產生了波長為 158.9 奈米（nm）的真空紫外激光束，並採用直接頻率倍增技術。
氟氧化鋁銨的發展為緊湊、高效的全固態 VUV 激光器鋪平了道路，團隊表示。該技術還可能在量子計算、太空平台、芯片製造及精密製造等領域開啟新的應用。真空紫外光通常涵蓋 120 至 240 奈米之間的所有波長，其在先進光譜學、半導體製造及量子研究等領域的應用需求日益增加。然而，高效產生這種光一直以來都是一個挑戰。
雖然非線性光學頻率轉換是最有效的方法之一，但由於缺乏合適的晶體，進展受到限制。潘士烈指出，只有氟化鈹鉀（KBBF）是能夠通過直接頻率倍增產生低於 200 奈米激光輸出的唯一實用晶體。然而，儘管效果卓越，KBBF 在晶體生長和設備製造上仍存在局限。相比之下，氟氧化鋁銨晶體經過中國科學家的十多年設計與生長，克服了許多這些障礙。
這種晶體結合了在單一材料中罕見的特性，包括在真空紫外範圍內的高透明度、強非線性光學響應，以及在極短波長下的相位匹配所需的足夠雙折射率。潘士烈強調，氟氧化鋁銨晶體是我們研究所從初始設計到晶體生長、再到最終激光輸出的全過程中開發和專利的全新材料。氟氧化鋁銨不僅實現了最短波長，還提供了迄今為止最高的能量輸出和轉換效率。
研究人員在 2016 年首次合成了氟氧化鋁銨晶體，經過十年的努力，將其生長至厘米級，並具備高光學質量。這些努力使其適合用於真正的激光設備，而不僅僅是實驗室演示。通過在硼酸鹽晶體框架中引入氟，並仔細控制結構，團隊為未來發現真空紫外非線性光學材料提供了更廣泛的設計策略。
未來晶體生長和加工技術的優化預計將進一步提升激光的性能。除了 158.9 奈米的波長，氟氧化鋁銨還實現了 4.8 毫焦耳（mJ）的納秒脈衝能量，並達到了接近 6% 的轉換效率。團隊指出，這些數據代表了通過二次諧波產生的真空紫外激光的新紀錄。短波長意味著紫外光攜帶了更多的能量，從而使新應用成為可能。
潘士烈透露，將直接產生的激光用於創造新的需求，中國正在轉型為一個需要引領和創造機會的製造強國。例如，在未來的太空通信中，有許多尚未探索的領域。在量子研究中，真空紫外激光使得對原子和離子能級的精確控制成為可能，這將促進下一代量子計算機的發展。該研究已發表於《自然》雜誌。
