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。非线性光学晶体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。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，为整个透光范围内实现双折射相位匹配提供了新思路。
该研究由中国科学院新疆理化技术研究所晶体材料研究中心潘世烈团队完成，相关成果于近期在国际学术期刊《自然·光子学》在线发表。
激光波长是激光器的输出波长，是激光器输出激光光束的重要参数。激光器中所使用的放大介质和激发方式等因素限制光子在确定的波长上振动。因此，激光器输出的波长为固定值，且调控范围有限。但是，人类迫切需要获得不同波长、不同能量激光，满足不同应用场景需求。例如，在环境监测、通讯、医疗、材料加工等领域，针对不同的介质和反射性能，会选择不同波长的激光。
非线性光学晶体是获得不同波长激光的物质条件和源头。在晶体中实现应用波段相位匹配被普遍认为是重要的技术挑战之一，决定最终激光输出的功率和效率。
目前有多种技术方案可供选择，其中利用晶体各向异性的双折射相位匹配技术是应用最广泛的弥补相位失配的有效途径。该方案转换效率高，但现有晶体均存在相位匹配波长损失，即可用晶体紫外截止边和最短相位匹配波长的差值表征。
团队前期在特邀综述中提出关于非线性光学晶体一种理想状态的假设，即在基于双折射相位匹配的非线性光学晶体中，是否可以实现“紫外截止边等于最短匹配波长”的理想状态？近期，该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。
该研究揭示了全波段相位匹配晶体的物理机制，并以此为指导获得一例非线性光学晶体。基于晶体器件实现了193.2-266 nm紫外/深紫外激光输出，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，验证了其全波段相位匹配特性，使该晶体成为目前首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。研究结果表明，宽的相位匹配波长范围使GFB晶体透光范围得到充分应用，可实现1064 nm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。更重要的是，GFB可采用水溶液法生长出高质量、超大尺寸晶体，使其有望成为应用于大科学装置的新晶体材料。
