近日，晶体材料国家重点实验室于浩海、张怀金教授团队在紫外非线性光学及激光方面取得新进展。团队聚焦于激光与非线性光学基础研究，从非线性光学基本原理出发，发展了非线性光学器件的设计新理念，创新性的在非线性光学过程中构建相位和频率变换功能基元，并实现其“分而治之”，突破传统相位匹配对非线性材料的要求；针对紫外激光的需求，优选成熟的石英晶体，并通过序构关系设计空间周期结构，制备了石英超晶体（meta-crystal）非线性光学器件，以空间谐波调节光波的相速度，实现了真空紫外177.3 nm和167.8 nm激光的有效输出，可为真空紫外光谱仪、半导体能谱仪等先进仪器装备提供关键基础光源，并为非线性光学研究提供新的自由度。相关研究成果以“Spatial Frequency Manipulation of a Quartz Crystal for Phase-Matched Second-Harmonic Vacuum Ultraviolet Generation”为题在线发表在国际光学期刊Laser & Photonics Reviews上。晶体材料国家重点实验室博士后邵明川为第一作者，于浩海、张怀金教授为通讯作者，山东大学为唯一作者单位。

石英晶体空间序构设计及高功率真空紫外激光产生

波长小于200 nm的真空紫外激光具有高光子能量、高能量分辨率等优势，在激光光刻、角分辨光电子能谱系统、化学反应动力学等高精密技术产业和基础研究领域具有重要的应用需求。以非线性光学晶体的倍频方式产生真空紫外激光是最优技术，属于光学领域的研究前沿，但受限于传统非线性相位匹配条件，当前可实用晶体仅限于具有层状习性且含有毒元素的KBBF族晶体。所以，紫外非线性光学研究也属于国际难点。

为推动深紫外激光技术和仪器发展，研究团队基于所提出的添加周期相位（APP）的相位匹配思想和理论【Light. Sci. Appl. 9, 45 (2020)；Light Sci Appl. 11, 31 (2022)】，利用飞秒激光直写技术，在商品化石英晶体中设计周期光栅结构，引入空间谐波的空间频率调制相互作用波的相速度，实现APP相位匹配；设计制备了高增益、低损耗的真空紫外非线性晶体器件，以国产紫外激光器作为泵浦源，在石英晶体器件中获得了31.6 mW的177.3 nm (光子能量7.0 eV)和1.1 mW的167.8 nm (光子能量7.4 eV)真空紫外激光输出，达到或超过了系列重大装备的实用需求。基于此APP匹配技术和石英晶体器件制备的全固态真空紫外激光器，具有紧凑、稳定且高效的优势，在角分辨光电子能谱仪、化学反应动力学、拉曼光谱仪、铝离子光频标、光发射电子显微镜等高精尖科研装备和光刻系统中具有重要的应用价值。目前，该技术方案已经获得了中国、美国、欧洲、日本的专利授权，并建立了完整的知识产权体系。

本工作得到国家自然科学基金、山东大学晶体材料国家重点实验室的大力支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202300244