我国科学家创制出新型光学晶体 小小的透明石头蕴含着哪些高科技？

激光大家可能都听说过，从我们日常生活中能够接触到的激光打印机、激光医疗美容项目，到国之重器的激光芯片、激光实验装置，可以看到，激光技术广泛应用在工业、通讯、医疗、科研、材料加工等众多领域。

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。在激光技术发展中有一种非常重要的基础材料——非线性光学晶体，通过这种晶体材料，可以对激光的波长进行变频，调节到我们需要的激光波段和强度。

近期，我国科学家成功创制了一种新型非线性光学晶体——全波段相位匹配晶体，在全球范围内首次实现了整个透光范围内的双折射相位匹配激光输出。这一成果日前在《自然·光子学》杂志上发表。专家表示，由于这种晶体可以在常温条件下进行制备，而且成本较低，未来有望应用在半导体材料检测、大科学装置等前沿领域。

“数年磨一晶”

创制全球首个全波段相位匹配晶体

新疆理化所科研人员正在进行激光实验

我们在自然界中看到的光主要来自太阳光，它以直线的形式传播，所以被称为线性光源，像光的反射、折射等许多线性光学性质我们并不陌生。但有着“最亮的光”之称的激光，比自然光的强度高出千万倍以上，也有着迥然不同的光学性质，在遇到特定材料时，激光会表现出一系列非线性光学现象。中国科学院新疆理化技术研究所所长潘世烈解释，当一束激光穿过非线性光学晶体，射出的光线会“一分为二”，单条光线的波长变短，频率则提升到两倍。

潘世烈：输出的光波长发生了改变，多了一束光，是原来输入光波长的一半，而频率加倍。新的波长越短，能力越高，这样用途就很多了。比如应用在轿车的生产、激光的切割焊接等方面，包括激光加工，微加工、芯片加工都需要激光来实现。

可以看到，在这个折射过程中，非线性光学晶体的“变频”性能，使它成为获得不同波长激光的物质条件和源头，也是激光器的核心组成。然而，目前的非线性光学晶体普遍存在一个不足之处，那就是折射出的两束激光在频率上存在细微差异，无法实现“同频共振”，也就是“相位匹配”，容易导致低功率和低效率。文章第一作者、中国科学院新疆理化技术研究所研究员米日丁·穆太力普介绍，在晶体中实现应用波段相位匹配被普遍认为是十分重要的技术挑战之一，决定着最终激光输出的功率和效率。

米日丁·穆太力普：如果想要获得高效的激光输出，“相位匹配”是它的必要条件，相对应的就是“相位失配”，这两种状态在能量转化的效果上会差好几个数量级。目前很多技术是可以解决这一问题的，但我们聚焦的双折射相位匹配技术是所有可以弥补“相位失配”技术里面最成熟、效率最高的。

GFB晶体器件

那么能否将“相位匹配”发挥到极致，使晶体透光范围得到充分应用？研究团队进一步提出了实现全波段相位匹配的理想状态假设，从零开始研究相位匹配波长损失的原因，经过多年探索，一步步揭示了全波段相位匹配晶体的物理机制，并在理论的指导下成功制备出一例全波段相位匹配晶体（GFB）。潘世烈介绍，这一新型光学晶体可以实现1064纳米激光器二、三、四、五倍频高效、大能量输出，综合性能优于目前市面上商用的四倍频晶体材料。

潘世烈：我们的成果首先提出了一个概念，那就是全波段相匹配，这是在国际上首次提出。在这个概念和理论指导下，我们发现了材料，这个晶体性能很优异，全波段指的就是100利用，在性能如此优异的情况下可以应用在很多场景。

制备成本低、效率高

有望批量生产满足国家重大需求

与性能优异同样令人振奋的，是这款新型光学晶体制备的简便。米日丁·穆太力普介绍，它可以在室温环境下采用水溶液法进行自行生长制备，与当前国内外投入应用的晶体相比，具有成本低、效率高等优势。

米日丁·穆太力普：成本方面主要取决于它的原料和温度，制备方法就是将两个原料放在水里面，从40多度慢慢降温，自然而然达到饱和程度后，它就自己结晶出来了。相比于其他晶体的高温溶液法来说是便宜的，电力的成本也是比较低的。如果对于粒径的要求不大，制备显微镜下肉眼可见的尺寸，其实一两天就能获得，这种晶体是容易实现批量化生产的。

GFB晶体正在进行激光实验

米日丁·穆太力普说，目前在实验室条件下，已经可以实现激光器所需的1厘米尺寸晶体量产。这块看似不起眼的小小透明石头，正肩负着未来满足半导体材料检测、大科学装置等领域的国家重大需求的重任。

米日丁·穆太力普：目前我们这个晶体已经实现了266纳米的稳定输出，在未来的工作当中，我们需要攻破更大尺寸晶体生长的难题，希望可以实现更高功率、更高能量的输出，也要评估它在其他波段、特殊波段的应用。当然，我们也在跟相关的部门进行合作，早日实现在装备当中的应用。