真空紫外激光关键材料实现里程碑式突破！
真空紫外光源在高分辨光电子能谱、量子物理以及193nm光刻等前沿领域中具有不可替代的作用。然而，获得稳定、高功率、紧凑型的VUV激光长期以来都是一项世界级难题。相比同步辐射和自由电子激光等大型装置，基于非线性光学晶体的二次谐波产生（SHG）被认为是最简单、最高效的方案，但现实却十分残酷：一方面，能够在VUV波段实现双折射相位匹配的晶体极为稀缺；另一方面，现有材料普遍存在转换效率低、晶体难以长大或加工困难等瓶颈。过去30多年中，KBBF晶体几乎是唯一能真正“打破200 nm壁垒”的材料，但其层状结构导致晶体只能以薄片形式生长，必须依赖复杂的棱镜耦合结构，严重限制了能量输出和工程应用。在这一背景下，是否还能找到一种既能突破波长极限，又具备工程可用性的全新VUV非线性晶体，成为该领域长期未解的关键问题。
日前，中国科学院新疆理化技术研究所潘世烈团队成功创制出氟化硼酸铵（ABF）新型晶体，利用该晶体实现了波长158.9纳米的真空紫外激光直接倍频输出，一举刷新输出波长、纳秒脉冲能量、转换效率三项世界纪录，为开发紧凑高效的全固态真空紫外激光器提供了关键核心材料，未来将在精密制造、前沿科研、空间通信等领域发挥战略作用。
更重要的是，ABF克服了传统层状晶体难以长大的顽疾，可稳定生长厘米级单晶，为构建紧凑、高功率、全固态VUV激光器提供了全新材料平台。这项工作被认为是深紫外非线性光学材料领域的里程碑式突破。相关成果以“Vacuum ultraviolet second-harmonic generation in NH4B4O6F crystal”为题发表在《Nature》上。Fangfang Zhang, Zilong Chen, Chen Cui为共同第一作者。
结构设计与高质量单晶生长
ABF晶体的核心结构由二维 [B₄O₆F]∞ 层构成，相邻层之间通过NH₄⁺离子以氢键连接（图1a）。与KBBF中层间距高达6.25Å不同，ABF的层间距仅3.81Å，几乎缩小了一半。这一关键差异显著增强了层间结合能，从根本上削弱了材料沿特定晶向“只长薄片”的生长习性。在晶体生长方面，研究团队创新性地采用了一种自生压条件下的气–液–固三相蒸汽沉积方法，成功获得尺寸达25×18×10mm³ 的厘米级高质量单晶（图1b）。X射线摇摆曲线显示其半高宽仅36arcsec（图1c），锥光干涉图样清晰规则（图1d,e），证明晶体具有优异的光学均匀性。同时，ABF的热膨胀各向异性明显小于常用非线性晶体LBO（图1f），加之适中的机械硬度，使其在切割和器件加工中更具工程友好性。
图1：ABF晶体结构、单晶实物照片、光学质量与热膨胀性能
全面领先的VUV非线性光学性能
优异的结构基础直接转化为突出的光学性能。ABF展现出从155nm到近红外 的超宽透过窗口（图2a），在177.3nm和193nm这两个关键工业波段仍保持接近80% 的高透过率。通过精确测量折射率并拟合色散关系，研究人员确认ABF是一种光学负双轴晶体（图2b），具备在VUV区实现双折射相位匹配的必要条件。理论与实验一致表明，其最短相位匹配SHG波长可达158nm（图2c），在所有已实验验证的晶体中处于绝对领先地位。更关键的是非线性响应强度。通过Maker条纹法和相位匹配法测得，ABF的有效二阶非线性系数 d₃₂≈1.09pm V⁻¹（图2d,e），在VUV波段显著高于KBBF。与此同时，其激光损伤阈值高达1.6GW cm⁻²，甚至超过商用高抗损伤晶体LBO（图2f），为高功率运行奠定基础。
图2：ABF的透过谱、折射率色散、相位匹配曲线、非线性系数与损伤阈值
可调谐VUV输出，刷新最短波长纪录
在实际器件验证中，研究团队构建了多种相位匹配角度的ABF器件，实现了158.9-340.2nm 范围内的连续可调谐频率倍增输出。在 158.9–188.0nm区间内，VUV信号清晰可辨（图3a,b），其中158.9nm的输出成功打破KBBF保持多年的165nm纪录，标志着固体晶体SHG正式迈入更短波长的新阶段。这一突破不仅在光学物理上具有象征意义，也为高能光电子谱、化学反应动力学等研究提供了更高能量的光源选择。
图3：ABF实现158.9–188.0nm可调谐VUV输出的实验装置与光谱结果
177.3 nm 高能输出，真正走向工程应用
针对工业与科研高度关注的177.3nm 波段，团队进一步设计了无需棱镜耦合的ABF倍频器件（图4a）。在354.7nm→177.3nm 的SHG过程中，ABF实现了4.8mJ的纳秒脉冲输出，对应转换效率5.9%，峰值效率甚至达到7.9%（图4c）。与之相比，KBBF在相同条件下的输出能量仅0.375mJ，效率不足2%。自激光技术诞生以来，这是除KBBF之外，首次有新型晶体在177.3nm波段实现双折射相位匹配SHG输出，且性能全面领先。
图4：177.3 nm高能VUV激光输出器件结构及能量/效率表现
氟化策略背后的物理机制
性能跃迁的根源，来自一种巧妙的氟化结构设计策略。ABF中同时存在[BO₃]和[BO₃F]基元，其中[BO₃F]具有更低对称性，诱导电子密度分布的不对称性（图5a）。理论计算表明，氟原子作为“键终止剂”，切断三维B–O网络，形成高度有序的二维阴离子层（图5b），并促使极化方向高度协同排列（图5c）。这种“结构有序 + 对称性破缺”的双重效应，使ABF在双折射、非线性系数和VUV透明性之间实现了罕见的平衡。
图5：氟化效应调控结构对称性与非线性响应的理论机制分析
(来源：赛米半导体网)