日前，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。相关研究成果以“Achieving the full-wavelength phase-matching for efficient nonlinear optical frequency conversion in C(NH2)3BF4”为题发表在《自然·光子学》。
短波紫外全固态相干光源具有光子能量强、可实用化与精密化、光谱分辨率高等特点，在激光精密加工、信息通讯、前沿科学及航空航天领域具有重大应用价值，而获得全固态短波紫外激光的核心部件正是非线性光学晶体。
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。在非线性光学过程中，若使基频光的能量源源不断地转换到倍频光，需要保持基频光激发的二次极化谐波和倍频光在晶体中位置时刻相同，然而由于晶体的本征色散导致基频光和倍频光的折射率不同，进而导致两束光在晶体中群速度不同，无法实现倍频光的持续增长，此为相位失配。因此，在晶体中实现应用波段相位匹配被普遍认为是最困难的技术挑战，决定了最终激光输出的功率和效率。
此次研究中该研究团队创制一类新非线性光学晶体，即全波段相位匹配晶体，该类晶体基于应用最为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。实验通过多级变频的方案或光参量技术方案，研究晶体在整个透过范围内的直接倍频输出能力，基于相位匹配器件已经实现193.2-266 nm紫外/深紫外可调谐激光输出，验证其该晶体全波段相位匹配能力，使该晶体成为目前首例且唯一一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，该材料193.2 nm处晶体透过率<0.02%，依然可以实现倍频激光输出，验证其全波段相位匹配特性。
该晶体结构、微观性能分析及外形
更重要的是，该晶体具有优异的线性和非线性光学性能，如短紫外截止边（~193 nm），大有效倍频系数（deff = 1.42 pm/V）、短相位匹配波长（~194 nm）和高抗激光损伤阈值（>BBO@ 266/532 nm, 8 ns, 10 Hz）等，是具有应用前景的266 nm激光用非线性光学晶体材料。
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1064nm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。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、日本等提交了国际专利申请。
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